Ondas de matria criam instrumento de medio ultrassensvel no espao

Mecnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 14/08/2024

Ondas de matria

A NASA divulgou os primeiros resultados dos testes de uma nova tecnologia de medio que promete ampla utilizao, desde rastrear o ciclo da gua na Terra e explorar a composio de planetas e luas at investigar fenmenos csmicos ainda pouco compreendidos e partculas desconhecidas.

O experimento, chamado Laboratrio de tomos Frios (Cold Atom Lab), pioneiro no modo como ele usa as tecnologias qunticas no espao – apesar do nome, ele pouco maior do que uma mala de viagem e foi instalado na Estao Espacial Internacional.

Dentro desse laboratrio porttil esto geradores de um estado da matria conhecido como condensado de Bose-Einstein, aglomerados de tomos que so resfriados at prximo do zero absoluto, quando ento o conjunto de tomos – de rubdio e potssio, neste caso – passa a se comportar como se fosse um s, um gigantesco tomo artificial.

Como todos os tomos essencialmente passam a compartilhar a mesma identidade quntica, algumas das propriedades tipicamente microscpicas dos tomos se tornam macroscpicas, tornando-as mais fceis de estudar.

E a que as coisas comeam a ficar interessantes.

A interferometria atmica uma tcnica que usa as propriedades ondulatrias da matria – de tomos extremamente frios – para realizar medies extremamente precisas, em vez de utilizar a luz, como nos interfermetros tradicionais.
[Imagem: NASA/JPL-Caltech]

Interfermetro atmico

Um dos fenmenos mais conhecidas da mecnica quntica que os tomos podem agir tanto como partculas quanto como ondas. Os cientistas ainda no sabem como esses blocos de construo de toda a matria conseguem fazer a transio entre comportamentos fsicos to diferentes, mas eles j esto tirando proveito disso, nas chamadas tecnologias qunticas.

A ideia do Laboratrio de tomos Frios criar um instrumento de pesquisa chamado interfermetro, que permite medir com preciso a gravidade, os campos magnticos e outras foras. A diferena que o novo instrumento um interfermetro atmico, ou seja, baseado em tomos, e no em luz, como normalmente feito. Em outras palavras, graas s bizarras leis da mecnica quntica, o novo instrumento usa ondas de matria, em lugar de ondas de luz.

Primeiro, os tomos so resfriados a temperaturas prximas do zero absoluto, para minimizar seus movimentos trmicos. Eles ento comeam a apresentar propriedades ondulatrias, descritas pela mecnica quntica – essencialmente, ondas de matria. Essas ondas so ento divididas para fluir por dois caminhos diferentes, ao final dos quais elas so recombinadas, gerando um padro de interferncia. Analisando esse padro possvel obter informaes precisas sobre coisas como a rotao, a acelerao e a composio da matria, o que permite medir campos presentes no ambiente, sejam gravitacionais, magnticos, eltricos etc.

Os fsicos estavam ansiosos para aplicar a interferometria atmica no espao porque a microgravidade permite tempos de medio mais longos, o que d maior sensibilidade ao instrumento. Por muito tempo, porm, se considerou que o equipamento extremamente sensvel seria frgil demais para funcionar por longos perodos sem acompanhamento e ajustes tcnicos. O novo laboratrio, que operado remotamente da Terra, mostrou agora que duro na queda o suficiente.

“Alcanar esse marco foi incrivelmente desafiador, e nosso sucesso nem sempre foi garantido,” disse Jason Williams, do Laboratrio de Propulso a Jato da NASA. “Foi preciso dedicao e senso de aventura da equipe para fazer isso acontecer.”

Diagrama do interfermetro atmico.
[Imagem: Jason R. Williams et al. – 10.1038/s41467-024-50585-6]

Sensores para medir a gravidade

Devido ao seu comportamento ondulatrio, um nico tomo pode simultaneamente viajar por dois caminhos fisicamente separados. Se a gravidade ou outras foras estiverem agindo sobre essas ondas, essa influncia pode ser medida observando como as ondas se recombinam e interagem. Com a maior estabilidade do condensado de Bose-Einstein, essas medies podem se estender no tempo, diminuindo as incertezas.

Sensores espaciais capazes de medir a fora gravidade com alta preciso tm uma ampla gama de aplicaes potenciais. Por exemplo, eles podem revelar a composio de planetas e luas porque diferentes materiais tm diferentes densidades, que criam variaes sutis na gravidade, e um interfermetro atmico tem uma sensibilidade mais do que suficiente para medir as mais sutis variaes.

Mais importante, um interfermetro atmico consegue fornecer preciso e estabilidade adicionais em relao aos seus equivalentes pticos, revelando mais detalhes sobre mudanas na massa da superfcie.

“A interferometria atmica tambm pode ser usada para testar a teoria da relatividade geral de Einstein de novas maneiras,” disse o professor Cass Sackett, da Universidade da Virgnia. “Esta a teoria bsica que explica a estrutura em larga escala do nosso Universo, e sabemos que h aspectos da teoria que no entendemos corretamente. Esta tecnologia pode nos ajudar a preencher essas lacunas e nos dar uma imagem mais completa da realidade que habitamos.”

“Eu espero que a interferometria atmica baseada no espao leve a novas descobertas emocionantes e a tecnologias qunticas fantsticas que impactem a vida cotidiana e nos transportem para um futuro quntico,” disse o professor Nick Bigelow, da Universidade de Rochester.

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