China anuncia recorde de resfriamento de átomos a 9,7 picokelvins a bordo de sua estação espacial

Uma nuvem de átomos pouco acima do zero absoluto

Cientistas chineses resfriaram uma nuvem de átomos de rubídio a bordo do módulo-laboratório Mengtian, da estação espacial da China, até uma temperatura equivalente a 9,7 picokelvins, segundo a equipe de pesquisa, enquanto observaram sua expansão por sete segundos. O resultado combina uma temperatura excepcionalmente baixa com um longo período de observação, duas condições que podem ajudar cientistas a medir a gravidade e investigar o comportamento quântico com mais precisão.

O Centro de Tecnologia e Engenharia para Utilização Espacial da Academia Chinesa de Ciências anunciou a conquista em 6 de novembro de 2026. O estudo, intitulado Gases quânticos abaixo de 10 picokelvins no espaço, foi publicado on-line na revista Science. O centro liderou o projeto em parceria com a Universidade de Pequim e o Instituto de Óptica e Mecânica Fina de Xangai.

A equipe descreve o resultado como um recorde de matéria artificial mais fria. O valor de 9,7 picokelvins equivale a cerca de um quarto dos 38 picokelvins alcançados por uma equipe da Universidade de Bremen em 2021 e a menos de um quinto dos 52 picokelvins obtidos pelo Laboratório de Átomos Frios da NASA a bordo da Estação Espacial Internacional em 2022.

Um picokelvin corresponde a um trilionésimo de kelvin. Portanto, o novo valor equivale a 0,0000000000097 kelvin acima do zero absoluto, temperatura correspondente a menos 273,15 graus Celsius. Os cientistas calculam essa temperatura equivalente a partir da expansão extremamente lenta dos átomos liberados. A temperatura descreve o movimento dessa minúscula nuvem atômica dentro do equipamento.

A cerca de 400 quilômetros acima da Terra, o experimento aproveita o ambiente de microgravidade da estação para reduzir as forças que mantêm os átomos confinados e observá-los por mais tempo do que seria possível em um laboratório compacto em solo.

O que os cientistas querem dizer com resfriar átomos

Normalmente, os átomos de rubídio se movem em várias direções e a velocidades diferentes. O resfriamento reduz o movimento aleatório de um grupo de átomos. Em temperaturas extremamente baixas e densidades adequadas, eles podem formar um condensado de Bose-Einstein, um estado em que muitos átomos compartilham o mesmo estado quântico e se comportam coletivamente.

Um condensado oferece aos pesquisadores um sistema maior e controlável para investigar efeitos geralmente associados a partículas individuais. Em vez de tentar acompanhar um átomo em meio a movimentos rápidos, os cientistas podem preparar uma nuvem organizada, alterar seu ambiente e medir sua resposta.

A temperatura equivalente do experimento é determinada pela lentidão com que a nuvem se espalha após ser liberada. Uma nuvem cujos átomos têm pouquíssimo movimento relativo se expande muito lentamente. Observar essa expansão ajuda os pesquisadores a determinar a energia associada ao movimento.

As leis da termodinâmica impedem que o zero absoluto seja alcançado. O objetivo prático é reduzir o movimento dos átomos o suficiente para revelar efeitos sutis e manter condições experimentais úteis por mais tempo. Neste experimento, os sete segundos de observação são uma parte central da conquista.

Por que sete segundos são importantes no espaço

A gravidade da Terra cria dois problemas interligados para experimentos de resfriamento. Ela puxa os átomos para baixo quando os pesquisadores enfraquecem a armadilha e limita o tempo durante o qual uma nuvem liberada pode permanecer na câmara de observação. Uma armadilha mais fraca favorece o resfriamento, mas também fica menos capaz de sustentar os átomos contra a gravidade.

A estação espacial e o conteúdo de seu laboratório caem juntos ao redor da Terra. Isso produz microgravidade, permitindo que os átomos permaneçam perto do equipamento com um confinamento muito mais fraco. Assim, os cientistas podem resfriá-los ainda mais e observar sua expansão por mais tempo.

Wolfgang Ketterle, professor de física do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e ganhador do Prêmio Nobel de Física de 2001, explicou a dimensão do problema para um experimento com duração de sete segundos na Terra:

“Na Terra, ela cairia cerca de 250 metros; portanto, acabaria atingindo o chão, a menos que você tivesse uma câmara de vácuo com 250 metros de altura”,

O laboratório orbital oferece essa oportunidade prolongada de observação em um instrumento compacto. Pesquisadores em solo operam seus equipamentos remotamente, usando controles automatizados para executar a sequência de resfriamento, cuidadosamente cronometrada.

Como a luz do laser se transforma em uma armadilha para átomos

O instrumento contém cerca de 5 gramas de rubídio metálico, sua fonte de átomos. A sequência começa com o aquecimento do metal para liberar vapor. Em seguida, lasers e campos magnéticos capturam e resfriam inicialmente os átomos desse vapor, antes de a equipe transferi-los para armadilhas formadas por luz laser.

Os pesquisadores usam duas etapas de armadilhas ópticas cruzadas. Em uma armadilha óptica, feixes de laser cuidadosamente dispostos exercem forças que mantêm os átomos em uma pequena região. Reduzir a intensidade da luz torna a armadilha mais rasa, permitindo que os átomos mais energéticos escapem. Os átomos restantes têm, em média, menos energia; esse processo é chamado de resfriamento evaporativo.

A etapa final utiliza expansão não adiabática, uma mudança controlada no confinamento que permite à nuvem se expandir e reduz ainda mais o movimento associado à sua temperatura efetiva. Juntas, as etapas levaram a nuvem de rubídio a menos de 10 picokelvins.

A microgravidade também criou uma dificuldade técnica: a evaporação em uma armadilha óptica se tornou menos eficiente. A equipe desenvolveu um método que usa um gradiente magnético adicional, um campo magnético cuja intensidade varia no espaço, para auxiliar o processo e produzir um condensado de alta pureza.

A armadilha óptica continua sendo a ferramenta central nas etapas avançadas de resfriamento, enquanto os campos magnéticos auxiliam partes da preparação. Coordenar essas funções exige controle preciso da intensidade do laser, do tempo e das perturbações do ambiente.

Uma abordagem diferente da usada na Estação Espacial Internacional

O Laboratório de Átomos Frios da NASA usa armadilhas magnéticas formadas por um chip de átomos, evaporação por radiofrequência e uma técnica final de resfriamento que envolve um pulso curto. A equipe chinesa optou pelo confinamento óptico, pela evaporação controlada por meio da intensidade da luz e pelo resfriamento profundo por expansão.

Os pesquisadores afirmam que as armadilhas ópticas oferecem flexibilidade útil para experimentos futuros e reduzem a sensibilidade à interferência magnética durante o confinamento. Vários feixes de laser também podem criar estruturas úteis para a simulação quântica, na qual um sistema atômico controlável reproduz características selecionadas de outro sistema físico.

Os recordes anteriores oferecem dois parâmetros de comparação. O resultado de 38 picokelvins obtido em Bremen em 2021 usou uma torre de queda para criar um breve período de microgravidade. O experimento na Estação Espacial Internacional chegou a 52 picokelvins em 2022. Os 9,7 picokelvins anunciados pela China são cerca de 3,9 vezes menos que o valor de Bremen e aproximadamente 5,4 vezes menos que o resultado orbital anterior.

O novo experimento combina o resultado de temperatura com sete segundos de expansão observada. Para pesquisadores que preparam experimentos de precisão, uma nuvem que permanece lenta e observável por mais tempo pode ser mais útil do que um recorde de temperatura isolado.

De uma sala de laboratório a um gabinete orbital

O equipamento em solo ocupava cerca de 20 metros cúbicos e pesava aproximadamente 10 toneladas. As descrições de engenharia estimam que o gabinete orbital integrado tenha cerca de 0,7 metro cúbico e pese 500 quilos. O anúncio do centro também apresenta valores de menos de um metro cúbico, cerca de 300 quilos e aproximadamente 700 watts; a diferença entre os pesos divulgados não foi explicada.

Com base nos números detalhados de engenharia, o sistema orbital ocupa cerca de um vinte e nove avos do volume do sistema em solo e tem um vigésimo de sua massa. Para alcançar essa redução, foi necessário integrar lasers, óptica de precisão, equipamentos de vácuo e controles eletrônicos em um espaço bastante restrito.

Os desenvolvedores usaram conexões de fibra óptica para o sistema de laser, controle preciso dos lasers, um sistema de ultra-alto vácuo, eletrônica automatizada e isolamento contra vibrações. O vácuo reduz as colisões com partículas gasosas indesejadas, enquanto o isolamento limita perturbações mecânicas que poderiam desestabilizar a delicada nuvem.

O gabinete também tem um projeto modular. Os pesquisadores podem selecionar módulos experimentais e sequências de cronometragem para diferentes estudos, permitindo que a mesma plataforma apoie diversos tipos de pesquisa quântica, em vez de servir a uma única demonstração de resfriamento.

Um avanço crucial antes do lançamento

O projeto iniciou sua avaliação preliminar em 2011, muito antes de o equipamento chegar à órbita. Uma dificuldade crítica surgiu no fim de 2021, quando a equipe não conseguiu repetidamente produzir o condensado de Bose-Einstein necessário para as etapas posteriores de resfriamento.

Os desenvolvedores conseguiram mais 10 dias para resolver o problema antes da decisão sobre incluir o instrumento no voo planejado. Eles testaram e ajustaram o hardware e o software do sistema. O condensado finalmente apareceu nas primeiras horas de 8 de janeiro de 2022, superando uma etapa fundamental rumo ao lançamento.

Os principais marcos abrangem mais de uma década:

• 2011: Começou a avaliação preliminar do experimento de átomos ultrafrios para a estação espacial.
• Fim de 2021: A dificuldade para produzir um condensado ameaçou a inclusão planejada do instrumento no voo.
• 8 de janeiro de 2022: A equipe produziu o condensado necessário após um intenso trabalho de identificação e resolução de problemas.
• 2022: O equipamento foi levado à estação espacial a bordo do módulo-laboratório Mengtian.
• 6 de novembro de 2026: O resultado de 9,7 picokelvins foi anunciado e o estudo foi publicado on-line na Science.

O professor da Universidade de Pequim Zhou Xiaoji e o pesquisador Chen Weibiao, do Instituto de Óptica e Mecânica Fina de Xangai, estão entre os autores correspondentes do estudo. Entre os pesquisadores apontados como coautores principais estão Li Tang, do instituto de Xangai, e Xiong Wei e Jin Shengjie, da Universidade de Pequim.

Medições mais longas podem revelar efeitos mais sutis

Os interferômetros atômicos estão entre os instrumentos que podem se beneficiar da nova plataforma. Eles usam as propriedades ondulatórias dos átomos: dividem e recombinam ondas atômicas para que o padrão resultante revele efeitos como aceleração ou gravidade.

Ernst M. Rasel, professor de física da Universidade Leibniz de Hannover, na Alemanha, descreveu as condições necessárias para esses instrumentos:

“Os interferômetros atômicos se beneficiam muito de fontes que forneçam um grande número de átomos em um conjunto ultrafrio e longos tempos de observação”,

Rasel explicou que a sensibilidade do interferômetro aumenta com o quadrado do tempo que os átomos permanecem no instrumento. Mantidas as demais condições, dobrar esse tempo pode aumentar em quatro vezes a resposta ao efeito medido. Isso torna a observação prolongada especialmente valiosa para sinais muito pequenos.

O próximo passo que ele apontou é um interferômetro orbital em que as ondas atômicas permaneçam divididas de forma coerente por vários segundos. Coerência significa preservar a relação entre as ondas para que elas produzam uma medição útil quando forem recombinadas. Os sete segundos de observação da nuvem oferecem um ponto de partida para desenvolver essa capacidade.

Os pesquisadores preveem aplicações no mapeamento da gravidade terrestre, na navegação e na determinação das órbitas de satélites. Medições mais precisas da gravidade também poderiam ajudar a acompanhar mudanças em geleiras e correntes oceânicas, já que o deslocamento de água e gelo altera a distribuição da massa da Terra.

Uma plataforma para experimentos quânticos

O sistema óptico poderia viabilizar redes ópticas, padrões de luz laser que mantêm átomos em arranjos semelhantes aos de um cristal. Ao alterar o arranjo e as interações, os pesquisadores podem investigar como conjuntos de partículas se comportam em condições controladas.

Chen Weibiao apontou as transições de fase quânticas, o comportamento de muitas partículas quânticas em interação e os testes de teorias físicas fundamentais como possíveis áreas de pesquisa. O projeto também lista simulações relacionadas ao universo primordial, buscas por matéria escura ultraleve e estudos relacionados a modelos de Higgs entre as linhas de pesquisa propostas.

Esses são experimentos futuros que exigirão projetos e medições próprios. A conquista imediata é uma fonte de átomos extremamente lentos e um período prolongado para estudá-los. Os pesquisadores também veem possíveis aplicações em sensores quânticos e relógios atômicos no espaço.

Lü Congmin, projetista-chefe do sistema de aplicação espacial do programa espacial tripulado da China e vice-diretor do centro de utilização espacial, convidou pesquisadores de todo o mundo a realizar experimentos com o equipamento e compartilhar oportunidades de pesquisa. Não foram anunciados cronograma para inscrições nem data para os experimentos de acompanhamento propostos.

Ketterle descreveu a conquista como “um excelente ponto de partida para avançar a termometria atômica e as medições de precisão”. A termometria atômica, que mede a temperatura em sistemas atômicos, continuará sendo uma parte fundamental da compreensão e do aprimoramento desses experimentos.

Principais pontos

• A equipe da estação espacial da China afirma ter resfriado uma nuvem de átomos de rubídio a uma temperatura equivalente a 9,7 picokelvins e observado sua expansão por sete segundos.
• O experimento ocorreu no módulo-laboratório Mengtian, usando um equipamento lançado em 2022.
• A temperatura anunciada fica abaixo dos 38 picokelvins alcançados em Bremen em 2021 e dos 52 picokelvins obtidos a bordo da Estação Espacial Internacional em 2022.
• A sequência de resfriamento combina confinamento óptico, resfriamento evaporativo auxiliado por um gradiente magnético e expansão não adiabática.
• Pesquisas futuras podem incluir simulações quânticas, interferômetros atômicos, medições da gravidade e testes de física fundamental.