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Cientistas investigam uma nuvem do quinto estado da matéria
Vinicius Szafran 11 de junho de 2020
Em julho de 2018, a Nasa anunciou a criação do ponto mais frio do espaço, na própria Estação Espacial Internacional (ISS), na órbita da Terra. Graças a isso, cientistas foram capazes de investigar uma nuvem no quinto estado da matéria no espaço.
Mas como isso começou? A Nasa utilizou átomos de um metal macio chamado rubídio e o resfriaram a temperaturas em torno de 100 nanoKelvin (0,0000001 Kelvin acima do zero absoluto). Isso resultou em uma nuvem super fria chamada condensado de Bose-Einstein, o famoso quinto estado da matéria e que poderia nos ajudar a entender as propriedades quânticas de átomos ultrafrios. A pesquisa, contudo, foi mais além.
Usando o Laboratório de Átomo Frio do Jet Propulsion Laboratory, os pesquisadores criaram condensados de Bose-Einstein com menos de um nanoKelvin acima do zero absoluto. A condição de microgravidade na ISS foi um fator importante para aprender mais sobre essa condição do que poderíamos na Terra.
Estação Espacial Internacional. Imagem: Reprodução
Condensados de Bose-Einstein são bastante estranhos. Eles se formam a partir de bósons resfriados a apenas uma fração acima do zero absoluto, mas sem nunca atingir essa marca; caso contrário, os átomos param de se mover. Isso os faz afundar em seu estado de menor energia, movendo-se de forma extremamente lenta e se aproximando o suficiente para se sobrepor. Essa situação gera uma nuvem de átomos de alta densidade que age como uma onda de matéria ou um "super átomo".
É mais fácil de observar a mecânica quântica, na qual cada partícula pode ser descrita como uma onda, em escala atômica. Sendo assim, os condensados de Bose-Einstein permitem que os cientistas estudem o comportamento quântico em maior escala, no lugar de estudar átomos individuais.
Podemos criar condensados de Bose-Einstein na Terra, usando uma combinação de resfriamento a laser, resfriamento evaporativo e campos magnéticos. Os átomos são mantidos em uma armadilha magnética e a radiação de radiofrequência é usada para "evaporar" as partículas mais energéticas, deixando somente as frias e lentas para formar a nuvem.
Quando isso acontece, as máquinas são desligadas para os cientistas realizarem experimentos. Porém, eles precisam ser rápidos: os átomos se repelem naturalmente, expandindo a nuvem e a dissipando. Por conta da gravidade, isso acontece em apenas algumas dezenas de milissegundos. Na microgravidade, esse efeito pode durar mais de um segundo. Além disso, a falta da gravidade facilita a formação do condensado de Bose-Einstein. Isso proporciona uma janela de observação maior para os cientistas.
Modelo computacional de um condensado de Bose-Einstein. Imagem: Nasa/NIST
Foi isso que o Laboratório de Átomo Frio proporcionou. Contudo, quando analisaram o condensado produzido, encontraram efeitos que não podem acontecer na gravidade da Terra. "Descobrimos que o resfriamento induzido por radiofrequência revela resultados marcadamente diferentes em microgravidade", escreveram os pesquisadores em seu artigo, publicado na Nature.
"Observamos um aumento na órbita de quase três vezes o número de átomos. Através da aplicação de vários gradientes de campo magnético, confirmamos que aproximadamente metade dos átomos estão no estado magneticamente insensível, formando uma nuvem semelhante a um halo ao redor da armadilha magnética", explicaram. Na Terra, a força da gravidade remove os átomos da armadilha.
No espaço, a melhor observação da nuvem revelou um halo de átomos de rubídio soltos pairando em sua borda. Graças ao método de resfriamento, esses átomos "ignoraram" a armadilha magnética. Na Terra, a gravidade os afastaria, mas no espaço eles permaneceram, fornecendo um recurso potencialmente útil para pesquisas futuras.
Agora que sabemos como criar condensados de Bose-Einstein mais duradouros, podemos pensar em outras formas de estudá-los. Armadilhas que não são praticáveis na Terra, por exemplo, podem ser criadas para testar diferentes comportamentos quânticos. Suas propriedades também podem ser úteis para medir constantes físicas fundamentais.
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