Científicos chinos enfrían átomos a una temperatura récord en la estación espacial Tiangong

Científicos a bordo de la estación espacial Tiangong de China han enfriado un gas de átomos de rubidio a 9.7 picokelvin, la temperatura más baja jamás alcanzada artificialmente, según resultados publicados en la revista Science el 5 de noviembre. Un picokelvin es una billonésima parte de un kelvin. La temperatura medida es una "temperatura equivalente" obtenida al medir la velocidad de expansión de la nube atómica, traduciéndola a energía cinética y expresándola como una temperatura. La incertidumbre es de +3.2/−2.7 picokelvin.

El experimento

Un equipo de investigación conjunto que incluye a la Universidad de Peking en Beijing y el Instituto de Óptica y Mecánica de Precisión de Shanghai de la Academia China de Ciencias llevó a cabo el trabajo utilizando la instalación de Investigación de Física de Átomos Fríos (CAPR), instalada en el módulo de experimentos Mengtian de Tiangong. El módulo central de Tiangong, Tianhe, fue lanzado en abril de 2021, y el módulo de experimentos Mengtian en octubre de 2022.

El equipo primero enfrió unos 23,000 átomos de rubidio-87 en una trampa óptica donde se intersectan dos haces de láser, utilizando enfriamiento evaporativo para bajarlos a 3.1 nanokelvin. Cerca del 89% de todos los átomos se condensaron en el mismo estado cuántico. Los átomos fueron luego transferidos a una segunda trampa óptica que los confina en una región más grande, y se llevó a cabo un proceso de enfriamiento de dos pasos reduciendo gradualmente la fuerza de la trampa durante aproximadamente 1.175 segundos para permitir que la nube atómica se expandiera lentamente. El análisis de los átomos en expansión libre mostró la temperatura equivalente de 9.7 picokelvin. Se espera que el estado ultrafrío y el largo tiempo de expansión libre mejoren la precisión de los interferómetros atómicos, que miden campos gravitatorios diminutos y aceleraciones utilizando la interferencia de ondas de materia de los átomos.

Comparación con récords anteriores

Este récord es aproximadamente cuatro veces menor que la temperatura equivalente mínima anterior de 38 picokelvin alcanzada en el entorno de microgravedad de una torre de caída en la Tierra, y aproximadamente cinco veces menor que los 52 picokelvin registrados por el Laboratorio de Átomos Fríos (CAL) en la Estación Espacial Internacional (ISS). En los experimentos de torres de caída, la expansión libre de las nubes atómicas se observó durante aproximadamente 2 segundos, mientras que en el nuevo estudio la nube atómica en expansión libre se observó durante 7 segundos.

Contexto científico

Cuando los átomos se enfrían a temperaturas ultrafrías, múltiples átomos comparten un único estado cuántico y se comportan colectivamente, un fenómeno conocido como condensación de Bose–Einstein (BEC). Esto permite la simulación cuántica, la medición de precisión y experimentos que prueban la relación entre la gravedad y la mecánica cuántica. En la Tierra, la gravedad arrastra a los átomos ultrafríos hacia abajo, obligando a los investigadores a sujetarlos con fuerza y acortando el tiempo que pueden ser observados. En órbita, los átomos pueden flotar libremente, lo que convierte al espacio en el laboratorio ideal para tales experimentos.

El equipo de investigación cree que los resultados pueden utilizarse en el futuro para probar leyes físicas fundamentales, como el principio de equivalencia, con mayor precisión en el espacio. El principio de equivalencia es un aspecto clave de la teoría de la relatividad general de Einstein, que establece que todos los objetos caen de la misma manera bajo la gravedad, independientemente de su masa o composición. Utilizando un interferómetro atómico basado en átomos ultrafríos, es posible medir con precisión diferencias minúsculas en las velocidades de caída de diferentes tipos de átomos. Además, los investigadores esperan que su logro se utilice para explorar nuevos fenómenos físicos o para estudiar estados cuánticos exóticos que surgen a temperaturas ultra bajas.

Por qué es importante

• La medición de 9.7 picokelvin es la temperatura más baja jamás alcanzada artificialmente, según DongA Science.
• El experimento utilizó únicamente láseres para atrapar los átomos, a diferencia de experimentos espaciales anteriores que dependían de imanes.
• La nube atómica en expansión libre se observó durante 7 segundos, más tiempo que los 2 segundos en los experimentos de torres de caída y aproximadamente un segundo a bordo de la ISS.
• Los investigadores dicen que los resultados podrían mejorar los interferómetros atómicos para medir campos gravitatorios y probar el principio de equivalencia en el espacio.

Fuentes (en inglés)

• sciencenews.org: Record-low temperature created on China’s space station
• scmp.com: Chinese scientists chill atoms to record low on Tiangong space station | South China Morning Post
• dongascience.com: China’s Tiangong Space Station Achieves Record 9.7 Picokelvin Atomic Gas - DongA Science

Traducción con IA del artículo original en inglés, revisada automáticamente para que diga lo mismo que el original. Las fuentes fueron verificadas en inglés.