Cercetătorii chinezi au răcit atomii la o temperatură record, aproape de zero absolut. Experimentul a fost realizat în spațiu

Cercetătorii chinezi au reușit să răcească un grup de atomi la doar 10 picokelvini, una dintre cele mai scăzute temperaturi obținute vreodată într-un experiment științific. Performanța a fost realizată la bordul stației spațiale Tiangong, folosind o tehnologie bazată pe lasere și profitând de condițiile de microgravitație. Rezultatul îi apropie pe fizicieni de limita teoretică a temperaturii, cunoscută drept zero absolut, și ar putea deschide noi posibilități pentru cercetarea fenomenelor cuantice în spațiu.

Experimentul a fost prezentat într-un studiu publicat pe 5 noiembrie în revista științifică Science. Echipa a folosit aproximativ 20.000 de atomi de rubidiu, menținuți într-o capcană optică specială. Combinația dintre controlul cu ajutorul laserelor și absența aproape completă a efectelor gravitaționale a permis atingerea unei temperaturi extrem de scăzute, dificil de obținut în laboratoarele de pe Pământ, scrie Live Science.

Cum au reușit cercetătorii să răcească atomii la 10 picokelvini

Experimentul realizat la bordul stației spațiale Tiangong a folosit o tehnologie cunoscută sub numele de pensete optice, denumită în limbaj științific optical-dipole trap (ODT). Sistemul utilizează un fascicul laser pentru a captura și menține atomii într-o anumită regiune, limitându-le mișcarea.

Cercetătorii au introdus aproximativ 20.000 de atomi de rubidiu în această capcană optică. Prin controlarea condițiilor în care se aflau particulele, echipa a reușit să reducă mișcarea lor și, implicit, energia termică a sistemului. Temperatura obținută a fost de numai 10 picokelvini.

Pentru a înțelege cât de mică este această valoare, un picokelvin reprezintă a mia miliardime parte dintr-un kelvin. Temperatura experimentului se află, așadar, la doar 0,00000000001 kelvini deasupra zero-ului absolut.

Un rol important l-a avut mediul de microgravitație de la bordul stației spațiale. În condițiile aproape lipsite de greutate, atomii pot fi menținuți într-o stare în care efectele gravitației influențează mult mai puțin experimentul. Acest lucru permite răcirea lor la temperaturi mai scăzute decât cele obținute în condiții obișnuite pe Pământ.

Rezultatul demonstrează că tehnologiile de captare și manipulare a atomilor cu ajutorul laserelor pot fi utilizate eficient și în mediul spațial. Cercetătorii consideră că această direcție ar putea contribui la dezvoltarea unor experimente mai avansate de fizică fundamentală.

Ce înseamnă zero absolut și de ce este atât de greu de atins

Zero absolut reprezintă limita inferioară teoretică a temperaturii și corespunde valorii de minus 273,15 grade Celsius sau minus 459,67 grade Fahrenheit. În apropierea acestei limite, energia termică a particulelor ajunge la valori extrem de mici, iar mișcarea lor devine tot mai redusă.

Cu toate acestea, atingerea exactă a zero-ului absolut este considerată imposibilă conform principiilor termodinamicii. A treia lege a termodinamicii descrie comportamentul sistemelor atunci când temperatura se apropie de această limită și indică faptul că atingerea ei ar necesita un număr infinit de etape.

Saibal Mitra, profesor de fizică la Missouri State University, a explicat într-un interviu acordat publicației Live Science în 2024 că una dintre interpretările acestei legi presupune imposibilitatea atingerii temperaturii de zero absolut printr-un proces fizic finit.

Mai există și o problemă legată de principiile termodinamicii. Dacă ar putea fi creat un rezervor de căldură aflat exact la zero absolut, acesta ar permite, cel puțin teoretic, construirea unei mașini cu eficiență de 100%. O asemenea situație ar intra în conflict cu principiile care guvernează transformarea energiei și comportamentul entropiei.

Din acest motiv, cercetătorii nu încearcă să atingă efectiv zero absolut, ci să se apropie cât mai mult de această limită. Experimentul chinez reprezintă un nou pas în această direcție, demonstrând că mediul spațial poate oferi condiții avantajoase pentru răcirea extremă a materiei.

Atomii răciți în spațiu pot forma un al cincilea tip de stare a materiei

Pe lângă temperatura record, experimentul de la bordul stației Tiangong a permis obținerea unei stări cuantice speciale a materiei, cunoscută sub numele de condensat Bose-Einstein.

Această stare apare atunci când atomii sunt răciți la temperaturi extrem de mici și ajung să se comporte colectiv, asemenea unei singure particule cuantice. În loc să mai acționeze ca un ansamblu de atomi independenți, particulele formează un sistem în care proprietățile cuantice devin vizibile la scară mai mare.

Condensatul Bose-Einstein este considerat uneori a cincea stare a materiei, alături de stările solidă, lichidă, gazoasă și plasmă. Existența sa a fost prezisă teoretic de Albert Einstein și Satyendra Nath Bose, iar obținerea experimentală a acestei stări a reprezentat un moment important pentru fizica modernă.

Microgravitația oferă avantaje importante pentru astfel de experimente. Pe Pământ, gravitația poate influența distribuția atomilor și durata în care aceștia pot fi menținuți într-o stare extrem de rece. În spațiu, aceste limitări sunt reduse, ceea ce permite cercetătorilor să studieze mai bine comportamentul sistemelor cuantice.

Prin urmare, experimentul nu se rezumă la stabilirea unui nou record de temperatură. El oferă și o metodă pentru investigarea unor fenomene care sunt dificil de observat în laboratoarele terestre.

Cum se compară experimentul chinez cu alte recorduri de temperatură

Performanța obținută pe stația Tiangong vine după alte experimente care au demonstrat avantajele microgravitației în cercetarea temperaturilor extreme.

Pe Stația Spațială Internațională (ISS), cercetătorii au reușit anterior să răcească atomi până la aproximativ 52 de picokelvini. Un alt experiment, realizat într-un turn înalt, unde atomii au fost lăsați să cadă în condiții de imponderabilitate temporară, a atins aproximativ 38 de picokelvini.

Noua valoare de 10 picokelvini obținută în experimentul chinez reprezintă o reducere considerabilă față de aceste rezultate. Diferența arată cât de importante pot fi condițiile de microgravitație și controlul precis al atomilor pentru cercetarea temperaturilor apropiate de zero absolut.

Echipa consideră că tehnologia bazată pe capcane optice ar putea permite dezvoltarea unei noi generații de experimente spațiale dedicate simulărilor cuantice și măsurătorilor de precizie. Acestea ar putea ajuta la investigarea unor proprietăți fundamentale ale materiei și la testarea unor teorii fizice în condiții greu de reprodus pe Pământ.

Cercetătorii nu au ajuns la zero absolut, o limită care rămâne imposibil de atins conform principiilor cunoscute ale termodinamicii. Au demonstrat însă că atomii pot fi răciți la temperaturi extrem de apropiate de aceasta, iar stațiile spațiale ar putea deveni laboratoare importante pentru viitoarele descoperiri din fizica cuantică.

Cercetătorii chinezi au răcit atomii la o temperatură record, aproape de zero absolut. Experimentul a fost realizat în spațiu