China relata recorde de resfriamento atômico a 9,7 picokelvins a bordo da Tiangong

Nuvem de 20 mil átomos estabelece novo recorde

Pesquisadores chineses resfriaram cerca de 20 mil átomos de rubídio a bordo da estação espacial Tiangong até uma temperatura equivalente a 9,7 picokelvins, ou 9,7 trilionésimos de grau acima do zero absoluto. Em seguida, a equipe acompanhou a expansão da nuvem liberada por sete segundos, obtendo mais tempo para estudar a física quântica e desenvolver medições precisas da gravidade.

O resultado, descrito no artigo Quantum gases below 10 picokelvin in space, publicado online na revista Science em 5 de novembro de 2026, reduz o recorde anterior divulgado, de 38 picokelvins, alcançado em um experimento alemão em 2021. O Cold Atom Lab da NASA, a bordo da Estação Espacial Internacional, já havia atingido 52 picokelvins.

A Academia Chinesa de Ciências descreve o feito em seu anúncio sobre o resfriamento atômico como um recorde, segundo a equipe de pesquisa. Pesquisadores da Universidade de Pequim, do Instituto de Óptica e Mecânica Fina de Xangai e do Centro de Tecnologia e Engenharia para Utilização Espacial da academia realizaram o trabalho dentro do módulo laboratorial Mengtian, da Tiangong.

A estimativa central vem acompanhada de uma faixa de incerteza de 7,0 a 12,9 picokelvins. Os cientistas calcularam o valor a partir da velocidade com que a nuvem se espalhou após ser liberada. A temperatura diz respeito ao movimento de expansão dos átomos; o equipamento, a estação espacial e os aparelhos ao redor operavam em temperaturas muito mais altas.

Sete segundos podem parecer pouco, mas, em um laboratório comum, os átomos liberados logo saem do campo de visão. O ambiente da Tiangong permitiu que a nuvem se expandisse lentamente enquanto flutuava em relação ao aparelho, dando aos pesquisadores tempo para medir um comportamento difícil de acompanhar na Terra.

O que significa 9,7 picokelvins?

O zero absoluto corresponde a zero kelvin, equivalente a menos 273,15 graus Celsius. A escala kelvin começa nesse limite inferior, o que a torna útil para comparar temperaturas extremamente baixas. Um picokelvin equivale a um trilionésimo de kelvin.

Os 9,7 picokelvins divulgados correspondem a uma temperatura efetiva, ou equivalente. Os pesquisadores fotografaram a nuvem em expansão de duas direções, mediram a velocidade com que ela se espalhou nas três dimensões e expressaram como temperatura a energia associada a esse movimento. Quanto mais lentamente uma nuvem se expande, menor é sua temperatura equivalente.

A tênue radiação remanescente do Big Bang tem temperatura de cerca de 2,7 kelvins. Dividir esse valor por 9,7 trilionésimos de kelvin resulta em aproximadamente 280 bilhões, base para descrever a nuvem atômica como cerca de 280 bilhões de vezes mais fria que a radiação de fundo do universo.

O recorde anterior, de 38 picokelvins, é cerca de 3,9 vezes o valor central da nova estimativa. Os experimentos usaram armadilhas e procedimentos de resfriamento diferentes, portanto a comparação numérica é aproximada. O resultado da Tiangong ainda não foi reproduzido de forma independente.

Como os átomos começam a se comportar como uma única onda

Os pesquisadores prepararam rubídio-87, uma forma específica do elemento rubídio, em um condensado de Bose-Einstein. Muitas vezes chamado de quinto estado da matéria, esse estado surge quando muitos átomos ocupam o mesmo estado quântico e se comportam coletivamente.

Satyendra Nath Bose e Albert Einstein desenvolveram as ideias por trás do fenômeno na década de 1920. Os cientistas produziram pela primeira vez um condensado de Bose-Einstein em um gás atômico diluído em 1995. Hoje, esses condensados permitem que físicos examinem o comportamento quântico em conjuntos de átomos grandes o bastante para serem observados por imagem.

A mecânica quântica descreve a matéria como tendo propriedades de onda e de partícula. Em um condensado, essas propriedades ondulatórias ficam organizadas por toda a nuvem. Assim, os pesquisadores podem manipular uma onda de matéria compartilhada, em vez de tentar acompanhar milhares de movimentos atômicos sem relação entre si.

Resfriamento com luz e escape controlado

O experimento da Tiangong começou com cerca de 2 milhões de átomos de rubídio. Feixes de laser cruzados formaram uma armadilha de dipolo óptico, uma região em que a luz mantinha os átomos no lugar. Ao reduzir a potência do laser, a armadilha enfraqueceu e permitiu que os átomos mais energéticos escapassem.

Esse processo é chamado de resfriamento evaporativo. Ele segue o mesmo princípio geral que resfria uma bebida quando suas moléculas mais energéticas escapam por evaporação: as partículas que permanecem têm, em média, menos energia.

Antes das etapas finais de resfriamento, o experimento produziu cerca de 20 mil átomos a aproximadamente 3 nanokelvins. Dados intermediários mais detalhados indicam uma amostra de cerca de 23 mil átomos a 3,1 nanokelvins, com aproximadamente 89% ocupando o estado quântico compartilhado do condensado. Esses valores descrevem uma etapa anterior da preparação, e não a medição final da expansão.

A microgravidade trouxe uma dificuldade própria. Na Terra, a gravidade ajuda a direcionar os átomos energéticos para uma rota de escape na armadilha. Sem essa atração para baixo em relação ao aparelho, a evaporação se torna menos eficiente. Os pesquisadores acrescentaram um gradiente magnético fraco, um campo magnético que varia conforme a posição, para ajudar a remover os átomos energéticos.

A nuvem restante foi transferida para uma armadilha óptica mais ampla e mais fraca. O procedimento final reduziu o confinamento ao longo de cerca de 1,175 segundo e incluiu uma expansão não adiabática, uma mudança na armadilha que remodelou o movimento da nuvem. Depois de liberados, os átomos se espalharam com uma energia equivalente a 9,7 picokelvins.

Por que a órbita permite observar por sete segundos

A Tiangong continua sob a gravidade da Terra. A aparente ausência de peso resulta da queda livre contínua ao redor do planeta: a estação, os aparelhos e os átomos caem juntos. Os cientistas chamam esse ambiente de microgravidade.

Na superfície, uma armadilha muito fraca tem dificuldade para manter os átomos presos contra a gravidade. Aumentar o confinamento ajuda a mantê-los dentro da armadilha, mas torna mais difícil o resfriamento final. Em órbita, os pesquisadores podem afrouxar muito mais a armadilha e ainda manter a nuvem dentro da área experimental.

Wolfgang Ketterle, professor de física no Instituto de Tecnologia de Massachusetts e ganhador do Nobel de 2001, explicou o problema prático que uma observação de sete segundos representaria na Terra:

"Na Terra, ela cairia cerca de 250 metros e, na prática, atingiria o chão, a menos que houvesse uma câmara de vácuo com 250 metros de altura",

As comparações pertinentes dependem do aparelho. Em experimentos comuns em solo, descritos pelos pesquisadores, era possível observar uma nuvem liberada por cerca de 0,05 segundo. O experimento anterior, feito em uma torre de queda, alcançou cerca de dois segundos de expansão livre. Portanto, os sete segundos da Tiangong equivalem a cerca de 140 vezes o tempo de um laboratório comum e a 3,5 vezes o da observação anterior em torre.

O experimento de 2021 que estabeleceu o recorde na Universidade de Bremen usou uma torre de queda para proporcionar um período temporário de ausência de peso. A órbita amplia essa oportunidade porque o experimento continua caindo ao redor da Terra, em vez de chegar ao fundo de uma torre.

Um laboratório compactado em um armário

O Cold Atom Physics Rack ocupa cerca de 0,7 metro cúbico e pesa aproximadamente 500 quilos. Seu equivalente em solo ocupava cerca de 20 metros cúbicos e pesava aproximadamente 10 toneladas. O instrumento espacial usa cerca de um vinte e nove avos do volume e um vigésimo da massa.

O equipamento reúne lasers, óptica de precisão, um sistema de ultralto vácuo e controles automatizados. O vácuo impede que partículas de gás dispersas colidam com os átomos ultrafrios, enquanto os controles mantêm a sequência cuidadosamente cronometrada necessária para preparar e liberar a nuvem.

Li Tang, pesquisador do Instituto de Óptica e Mecânica Fina de Xangai, descreveu um trabalho de alinhamento envolvendo mais de 20 feixes de laser. Eles precisavam se encontrar em uma nuvem atômica com apenas algumas dezenas de micrômetros de largura, com erro máximo de cinco micrômetros. Um micrômetro equivale a um milésimo de milímetro.

O instrumento também precisava resistir ao lançamento, funcionar dentro dos limites de energia da estação espacial e manter sua precisão em órbita. O desenvolvimento levou cerca de 15 anos, da avaliação inicial de viabilidade até o resultado publicado.

• 2011: Começou a avaliação inicial da instalação espacial.
• 2021: Um experimento que usou a torre de queda de Bremen atingiu o recorde anterior, de 38 picokelvins.
• 2022: A instalação chinesa foi lançada a bordo do módulo laboratorial Mengtian.
• 5 de novembro de 2026: O artigo da equipe da Tiangong foi publicado online na revista Science.

Observações mais longas podem aprimorar as medições da gravidade

Os interferômetros atômicos estão entre os instrumentos que podem se beneficiar do experimento. Eles dividem a onda de matéria de um átomo em trajetórias diferentes e depois as recombinam. As diferenças acumuladas ao longo do percurso produzem um sinal de interferência capaz de revelar acelerações ou efeitos gravitacionais minúsculos.

Ernst M. Rasel, professor de física na Universidade Leibniz de Hannover, na Alemanha, cuja equipe alcançou o recorde anterior de temperatura, descreveu a combinação necessária para essas medições:

"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 aumenta com o quadrado do tempo que os átomos passam no interferômetro. Assim, tempos de medição mais longos podem proporcionar um ganho muito maior do que um aumento proporcional equivalente no tempo, por si só.

O próximo passo que ele apontou é um interferômetro em órbita que mantenha as ondas atômicas coerentemente separadas por vários segundos. Coerência significa que as ondas preservam a relação necessária para produzir um sinal útil quando são reunidas. Os sete segundos de observação da nuvem oferecem um ponto de partida para desenvolver essa capacidade.

Esses instrumentos poderiam medir variações no campo gravitacional da Terra ou aprimorar as medições do movimento de espaçonaves. Também poderiam comparar a queda de diferentes tipos de átomos, testando o princípio da equivalência, um dos fundamentos da teoria geral da relatividade de Einstein. Esse princípio afirma que os objetos caem da mesma maneira sob a ação da gravidade, independentemente de sua massa ou composição, quando outras forças são eliminadas.

Armadilhas a laser abrem caminho para outros experimentos quânticos

A equipe da Tiangong escolheu o confinamento óptico em vez das armadilhas magnéticas com chip atômico usadas em experimentos recordistas anteriores. Manter os átomos com luz reduz algumas das limitações associadas às armadilhas magnéticas e permite organizar padrões de laser mais complexos.

Uma possível configuração é uma rede óptica. Feixes de laser que se cruzam criam um padrão repetitivo capaz de manter os átomos em uma estrutura ordenada que lembra um cristal. Os pesquisadores podem alterar essa estrutura e controlar como os átomos interagem.

Essa abordagem permite a simulação quântica: usar um sistema quântico controlável para investigar outro que é mais difícil de estudar diretamente. Em vez de calcular cada interação em um material complexo, os cientistas podem construir um modelo atômico e observar seu comportamento.

A Academia Chinesa de Ciências também aponta investigações de modelos de matéria escura como uma possível linha de pesquisa. Algumas hipóteses envolvem partículas ultraleves hipotéticas, cujos efeitos poderiam ser buscados com medições quânticas sensíveis. O mapeamento da gravidade, a navegação, a simulação quântica e a busca por matéria escura são aplicações propostas para desenvolvimentos futuros.

O próximo desafio é criar um instrumento útil

Os pesquisadores da Universidade de Pequim Xiong Wei e Jin Shengjie, coautores principais do artigo, descrevem a observação mais longa como uma forma de aumentar as chances de detectar fenômenos físicos mais fracos. Manter uma nuvem fria e visível é a base para experimentos que também precisam manipulá-la com precisão.

O número de átomos será tão importante quanto a temperatura. Uma nuvem de cerca de 20 mil átomos é útil para estudar o comportamento quântico coletivo, enquanto muitas medições de precisão se beneficiam de amostras maiores. Os pesquisadores ainda precisam determinar com que regularidade a instalação consegue combinar nuvens maiores, expansão muito lenta e coerência duradoura.

O sistema óptico oferece à equipe várias ferramentas ajustáveis: a intensidade da armadilha, a geometria dos lasers, os gradientes magnéticos e o momento da liberação. Transformar esses controles em um instrumento de medição confiável exigirá experimentos repetidos e medições cuidadosas das perturbações.

Ketterle descreveu o feito como "um excelente ponto de partida para avançar a termometria atômica e as medições de precisão". O avanço imediato é concreto: uma nuvem atômica que se expande mais lentamente, medida durante sete segundos, dentro de um sistema experimental em órbita.

Principais pontos

• Pesquisadores a bordo da Tiangong relataram uma temperatura atômica equivalente de 9,7 picokelvins, com uma faixa de incerteza de 7,0 a 12,9 picokelvins.
• O resultado foi obtido a partir da expansão de cerca de 20 mil átomos de rubídio preparados como um condensado de Bose-Einstein.
• O recorde anterior divulgado era de 38 picokelvins, alcançado em um experimento alemão que usou uma torre de queda.
• A equipe observou a nuvem em expansão livre durante sete segundos em microgravidade.
• A instalação foi lançada com o módulo Mengtian em 2022, após um trabalho de desenvolvimento iniciado em 2011.
• Pesquisas futuras podem desenvolver interferômetros atômicos, medições da gravidade, simulações quânticas e testes de física fundamental.