Átomos transportados pelo espaço anunciam novos testes do princípio de equivalência de Einstein

Republicado por Platão

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Foto da Estação Espacial Internacional em órbita ao redor da Terra, com uma maçã caindo e uma laranja sobrepostas em cima — Queda livre: O princípio da equivalência de Einstein afirma que o movimento dos corpos em queda livre (sejam maçãs, laranjas ou qualquer outro) é independente da sua composição. O Laboratório Cold Atom a bordo da Estação Espacial Internacional pretende testar este princípio usando átomos ultrafrios com diferentes massas. (Cortesia: Ali Lezeik, adaptando imagem original da Roskosmos/NASA)

O movimento dos corpos em queda livre é independente da sua composição. Este é um dos fundamentos do Princípio de Equivalência de Einstein (EEP), que sustenta a nossa compreensão moderna da gravidade. Este princípio, no entanto, está sob constante escrutínio. Quaisquer violações da mesma dariam-nos pistas na nossa busca pela energia escura e pela matéria escura, ao mesmo tempo que orientariam a nossa compreensão dos buracos negros e de outros sistemas onde a gravidade e a mecânica quântica se encontram.

Cientistas dos EUA, França e Alemanha criaram agora um novo sistema para testar o EEP: uma mistura de dois gases quânticos ultrafrios que orbitam a Terra a bordo da Estação Espacial Internacional (ISS). Eles também demonstraram o primeiro interferômetro de átomos de duas espécies no espaço, que descrevem como um “passo importante” para testar o EEP. A questão que pretendem responder com esta experiência é simples: dois átomos de massas diferentes caem à mesma velocidade?

Átomos frios na ISS

A ISS é o lar do Laboratório Cold Atom (CAL), que é um “playground” para átomos no espaço. Lançado em 2018, em 2020 criou o primeiro condensado de Bose-Einstein (BEC) transportado pelo espaço – um estado especial da matéria alcançado após o resfriamento de átomos a temperaturas logo acima do zero absoluto. Este primeiro gás quântico consistia em átomos de rubídio ultrafrios, mas após uma atualização em 2021, o CAL também hospeda uma fonte de micro-ondas para produzir gases quânticos de átomos de potássio.

No último trabalho, descrito em Natureza, os cientistas do CAL geraram uma mistura quântica de ambas as espécies na ISS. “Gerar esta mistura quântica no espaço é um passo importante para o desenvolvimento de medições de alta precisão para testar o princípio de equivalência de Einstein”, diz Gabriel Müller, um estudante de doutorado na Universidade Leibniz em Hannover, Alemanha, que está envolvido no experimento.

Para conseguir esta mistura, a equipa confinou os átomos de rubídio numa armadilha magnética e permitiu que os átomos “quentes” mais energéticos evaporassem para fora da armadilha, deixando para trás os átomos “frios”. Isso eventualmente leva a uma transição de fase para um gás quântico, uma vez que os átomos caem abaixo de uma certa temperatura crítica.

Embora este processo também funcione para átomos de potássio, evaporar simultaneamente ambas as espécies na mesma armadilha não é simples. Como a estrutura energética interna dos átomos de rubídio e de potássio é diferente, as suas temperaturas iniciais na armadilha variam, assim como as condições óptimas da armadilha e o tempo de evaporação necessário para atingir a temperatura crítica. Como resultado, os cientistas tiveram que recorrer a uma solução diferente. “O gás quântico de potássio não é gerado por resfriamento evaporativo, mas sim resfriado 'simpaticamente' por meio do contato térmico direto com o gás rubídio ultrafrio evaporado”, explica Müller.

A geração desse gás quântico no espaço tem seus méritos, acrescenta. “Na Terra, há uma queda gravitacional, o que significa que dois átomos de massas diferentes não estarão na mesma posição na armadilha. No espaço, por outro lado, a interação gravitacional é fraca e as duas espécies estão sobrepostas.” Esse aspecto do trabalho em microgravidade é essencial para a realização de experimentos que visam observar interações entre as duas espécies que, de outra forma, seriam sequestradas pelos efeitos da gravidade na Terra.

O papel crucial da engenharia de estado quântico

A produção de uma mistura quântica de átomos de rubídio e potássio aproxima a equipe do CAL do teste do EEP, mas outros elementos do experimento ainda precisam ser domesticados. Por exemplo, embora as duas espécies se sobreponham na armadilha, quando são libertadas dela, as suas posições iniciais são ligeiramente diferentes. Müller explica que isso se deve em parte às propriedades de cada espécie de átomo que levam a dinâmicas diferentes, mas também ao fato de a liberação da armadilha não ser instantânea, o que significa que uma das espécies experimenta uma força magnética residual em relação à outra. Tais efeitos sistemáticos poderiam facilmente apresentar-se como uma violação do PEE se não forem devidamente tratados.

Por esta razão, os cientistas voltaram a sua atenção para a caracterização da sistemática da sua armadilha e para a redução de ruídos indesejados. “Este é um trabalho que está sendo feito ativamente em Hannover, para criar estados de entrada bem projetados de ambas as espécies, o que será crucial, pois são necessárias condições iniciais semelhantes antes de iniciar o interferômetro”, diz Müller. Uma solução para o problema da posição inicial, acrescenta, seria transportar lentamente ambas as espécies para uma única posição antes de desligar a armadilha magnética. Embora isso possa ser feito com alta precisão, isso ocorre às custas do aquecimento dos átomos e da perda de alguns deles. Os cientistas esperam, portanto, utilizar a aprendizagem automática para optimizar o mecanismo de transporte e, assim, conseguir um controlo semelhante da dinâmica atómica, mas muito mais rápido.

Imagem mostrando seis raios laser vermelhos cruzando dentro de uma câmara com um chip suspenso acima dela — Resfriando átomos no espaço: um esquema do Cold Atom Laboratory (CAL) da NASA mostrando o arranjo dos feixes de laser e do chip atômico. (Cortesia: NASA/JPL)

Interferômetro de átomo de duas espécies no espaço

Uma vez resolvidos esses problemas, o próximo passo seria realizar um teste EEP usando interferometria de átomos de duas espécies. Isso envolve o uso de pulsos de luz para criar uma superposição coerente das duas nuvens de átomos ultrafrios, recombinando-as e deixando-as interferir após um certo tempo de evolução livre. O padrão de interferência contém informações valiosas sobre a aceleração da mistura, a partir das quais os cientistas podem extrair se ambas as espécies experimentaram a mesma aceleração gravitacional.

Um fator limitante nesta técnica é o quão bem as posições do feixe de laser e da amostra atômica se sobrepõem. “Esta é a parte mais complicada”, sublinha Müller. Um problema é que as vibrações na ISS fazem com que o sistema laser vibre, introduzindo ruído de fase no sistema. Outra questão é que a diferente estrutura de massa e nível de energia atômica de ambas as espécies os leva a responder de maneira diferente ao ruído vibracional, produzindo uma defasagem entre os dois interferômetros atômicos.

No último trabalho, os cientistas demonstraram a interferometria atômica simultânea da mistura e mediram uma fase relativa entre o padrão de interferência do rubídio e dos átomos de potássio. No entanto, estão bem cientes de que tal fase se deve provavelmente às fontes de ruído que estão a abordar, e não a uma violação do PPE.

Missões futuras

Um novo módulo científico foi lançado na ISS com o objetivo de aumentar o número de átomos, melhorar as fontes de laser e implementar novos algoritmos na sequência experimental. Fundamentalmente, porém, os cientistas do CAL estão se esforçando para demonstrar a medição de precisão inercial além do atual estado da arte. “Essas realizações são marcos importantes para futuras missões de satélite que testam a universalidade da queda livre a níveis sem precedentes”, afirma o Hannover's Naceur Gaaloul, coautor do artigo recente.

Condensado de Bose-Einstein é produzido a bordo da Estação Espacial Internacional

Um exemplo mencionado por Gaaloul é a proposta STE-QUEST (Explorador do Espaço-Tempo e Teste Espacial do Princípio de Equivalência Quântica), que seria sensível a diferenças na aceleração de apenas 10^-17m / s². Esta precisão equivale a deixar cair uma maçã e uma laranja e medir, após um segundo, a diferença na sua posição até ao raio de um protão. O espaço é notoriamente difícil, mas a interferometria atômica no espaço é ainda mais difícil.