El Laboratorio de Átomos Fríos de la NASA prepara el escenario para la química cuántica en el espacio

 

Por primera vez en el espacio, los científicos han producido un gas cuántico que contiene dos tipos de átomos. Logrado con el Laboratorio de Átomos Fríos de la NASA a bordo de la Estación Espacial Internacional, el logro marca otro paso hacia la incorporación al espacio de tecnologías cuánticas que actualmente solo están disponibles en la Tierra.

Las herramientas cuánticas ya se utilizan en todo, desde teléfonos móviles hasta GPS y dispositivos médicos. En el futuro, podrían usarse para mejorar el estudio de los planetas, incluido el nuestro, y ayudar a resolver misterios del universo mientras profundizamos nuestra comprensión de las leyes fundamentales de la naturaleza.

El nuevo trabajo, realizado de forma remota por científicos en la Tierra, se describe en la edición del 16 de noviembre de la revista Nature

Con esta nueva capacidad, el Laboratorio de Átomos Fríos ahora puede estudiar no solo las propiedades cuánticas de los átomos individuales, sino también la química cuántica, que se centra en cómo los diferentes tipos de átomos interactúan y se combinan entre sí en un estado cuántico. Los investigadores podrán llevar a cabo una gama más amplia de experimentos con Cold Atom Lab y aprender más sobre los matices de realizarlos en microgravedad. Ese conocimiento será esencial para aprovechar esta instalación única en su tipo para desarrollar nuevas tecnologías cuánticas basadas en el espacio.

El mundo físico que nos rodea depende de que los átomos y las moléculas permanezcan unidos de acuerdo con un conjunto establecido de reglas. Pero diferentes reglas pueden dominar o debilitarse dependiendo del entorno en el que se encuentren los átomos y las moléculas, como la microgravedad. Los científicos que utilizan el Laboratorio de Átomos Fríos están explorando escenarios en los que la naturaleza cuántica de los átomos domina sus comportamientos. Por ejemplo, en lugar de actuar como bolas de billar sólidas, los átomos y las moléculas se comportan más como ondas.

En uno de esos escenarios, los átomos de las moléculas de dos o tres átomos pueden permanecer unidos pero separarse cada vez más, casi como si las moléculas se volvieran esponjosas. Para estudiar estos estados, los científicos primero necesitan reducir la velocidad de los átomos. Lo hacen enfriándolos a fracciones de grado por encima de la temperatura más baja que puede alcanzar la materia, mucho más fría que cualquier cosa que se encuentre en el universo natural: cero absoluto, o menos 459 grados Fahrenheit (menos 273 grados Celsius).

Los físicos han creado estas moléculas esponjosas en experimentos con átomos fríos en tierra, pero son extremadamente frágiles y se rompen rápidamente o colapsan a un estado molecular normal. Por esa razón, las moléculas agrandadas con tres átomos nunca han sido fotografiadas directamente. En la microgravedad de la estación espacial, las frágiles moléculas pueden existir durante más tiempo y potencialmente hacerse más grandes, por lo que los físicos están emocionados de comenzar a experimentar con la nueva capacidad del Laboratorio de Átomos Fríos.

Es probable que este tipo de moléculas no se produzcan en la naturaleza, pero es posible que se utilicen para fabricar detectores sensibles que puedan revelar cambios sutiles en la fuerza de un campo magnético, por ejemplo, o cualquiera de las otras perturbaciones que hacen que se rompan o colapsen.

"Lo que estamos haciendo con la ciencia del átomo frío en general es buscar y aprender sobre nuevas herramientas que la naturaleza nos da", dijo Jason Williams del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California, científico del proyecto del Laboratorio de Átomos Fríos y coautor del nuevo estudio. "Es como si hubiéramos descubierto un martillo y estuviéramos empezando a investigar todas las formas en que podríamos usarlo".

 Una forma posible de usar un gas cuántico con dos tipos de átomos sería probar algo llamado principio de equivalencia, que sostiene que la gravedad afecta a todos los objetos de la misma manera, independientemente de su masa. Es un principio que muchos profesores de física demostrarán poniendo una pluma y un martillo en una cámara de vacío sellada y demostrando que, en ausencia de fricción del aire, los dos caen a la misma velocidad. En 1971, el astronauta del Apolo 15, David Scott, realizó este experimento en la superficie de la Luna sin necesidad de una cámara de vacío.

Usando un instrumento llamado interferómetro atómico, los científicos ya han realizado experimentos en la Tierra para ver si el principio de equivalencia es cierto a escalas atómicas. Usando un gas cuántico con dos tipos de átomos y un interferómetro en la microgravedad de la estación espacial, pudieron probar el principio con más precisión de lo que es posible en la Tierra. Al hacerlo, podrían aprender si hay un punto en el que la gravedad no trata a toda la materia por igual, lo que indica que la teoría general de la relatividad de Albert Einstein contiene un pequeño error que podría tener grandes implicaciones.

El principio de equivalencia es parte de la teoría general de la relatividad, la columna vertebral de la física gravitacional moderna, que describe cómo se comportan los objetos grandes, como los planetas y las galaxias. Pero un gran misterio de la física moderna es por qué las leyes de la gravedad no parecen coincidir con las leyes de la física cuántica, que describen el comportamiento de los objetos pequeños, como los átomos. Las leyes de ambos campos han demostrado ser correctas una y otra vez en sus respectivos reinos de tamaño, pero los físicos han sido incapaces de unirlas en una sola descripción del universo como un todo.

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