The coldest materials in the world aren’t in Antarctica. They’re not at the top of Mount Everest or buried in a glacier. They’re in physics labs: clouds of gases held just fractions of a degree above absolute zero. That’s 395 million times colder than your refrigerator, 100 million times colder than liquid nitrogen, and 4 million times colder than outer space. Temperatures this low give scientists a window into the inner workings of matter, and allow engineers to build incredibly sensitive instruments that tell us more about everything from our exact position on the planet to what’s happening in the farthest reaches of the universe.
Os materiais mais frios do mundo não estão na Antártida. Não estão no topo do Monte Evereste nem enterrados sob um glaciar. Estão nos laboratórios de Física: nuvens de gases mantidos a frações de um grau acima do zero absoluto. São 395 milhões de vezes mais frios do que os nossos frigoríficos, cem milhões de vezes mais frios do que o azoto líquido e quatro milhões de vezes mais frios do que o espaço exterior. Temperaturas tão baixas permitem que os cientistas estudem o funcionamento interior da matéria e permitem que os engenheiros criem instrumentos extremamente sensíveis que nos revelam mais sobre todas as coisas da nossa posição exata no planeta do que acontece nos locais mais longínquos do universo.
How do we create such extreme temperatures? In short, by slowing down moving particles. When we’re talking about temperature, what we’re really talking about is motion. The atoms that make up solids, liquids, and gases are moving all the time. When atoms are moving more rapidly, we perceive that matter as hot. When they’re moving more slowly, we perceive it as cold.
Como criamos essas temperaturas extremas? Resumindo, abrandando as partículas em movimento. Quando falamos da temperatura, estamos a falar sobre movimento. Os átomos que nos tornam sólidos, líquidos ou gases, estão sempre em movimento. Quando os átomos se movem mais rapidamente, sentimos que a matéria está quente. Quando se movem mais devagar, sentimo-la fria.
To make a hot object or gas cold in everyday life, we place it in a colder environment, like a refrigerator. Some of the atomic motion in the hot object is transferred to the surroundings, and it cools down. But there’s a limit to this: even outer space is too warm to create ultra-low temperatures. So instead, scientists figured out a way to slow the atoms down directly – with a laser beam.
Habitualmente, para arrefecer um objeto ou um gás quente, colocamo-lo num ambiente mais frio, como um frigorífico. Parte do movimento atómico do objeto quente é transferido para o meio envolvente o que o arrefece. Mas há um limite para isso: até o espaço exterior é demasiado quente para criar temperaturas demasiado baixas. Por isso, os cientistas arranjaram forma de abrandar diretamente os átomos, com um raio laser.
Under most circumstances, the energy in a laser beam heats things up. But used in a very precise way, the beam’s momentum can stall moving atoms, cooling them down. That’s what happens in a device called a magneto-optical trap. Atoms are injected into a vacuum chamber, and a magnetic field draws them towards the center. A laser beam aimed at the middle of the chamber is tuned to just the right frequency that an atom moving towards it will absorb a photon of the laser beam and slow down. The slow down effect comes from the transfer of momentum between the atom and the photon. A total of six beams, in a perpendicular arrangement, ensure that atoms traveling in all directions will be intercepted. At the center, where the beams intersect, the atoms move sluggishly, as if trapped in a thick liquid — an effect the researchers who invented it described as “optical molasses.” A magneto-optical trap like this can cool atoms down to just a few microkelvins — about -273 degrees Celsius.
Na maior parte das circunstâncias, a energia de um raio laser aquece as coisas. Mas, se for usado de forma muito precisa, o ímpeto do raio pode fazer parar os átomos em movimento, arrefecendo-os. É o que acontece num aparelho chamado armadilha magneto-ótica. Injetam-se átomos numa câmara de vácuo onde um campo magnético os atrai para o centro. Um raio laser direcionado para o meio da câmara é afinado para a frequência adequada para que um átomo que se move na sua direção absorva um fotão do raio laser e abrande. O efeito de abrandamento provém da transferência da energia entre o átomo e o fotão. Um total de seis raios, numa disposição perpendicular, assegura que os átomos que viajam em todas as direções sejam intercetados. No centro, onde os raios se intercetam, os átomos movem-se lentamente, como envolvidos num líquido espesso — um efeito que os investigadores que o inventaram descreveram como "melaço ótico". Uma armadilha magneto-ótico como esta pode arrefecer átomos até a poucos microkelvins — cerca de 273 graus negativos Celsius.
This technique was developed in the 1980s, and the scientists who'd contributed to it won the Nobel Prize in Physics in 1997 for the discovery. Since then, laser cooling has been improved to reach even lower temperatures.
Esta técnica foi desenvolvida nos anos 80 e os cientistas que contribuíram para tal ganharam o Prémio Nobel da Física em 1997, por essa descoberta. Desde então, o arrefecimento por laser tem sido melhorado
But why would you want to cool atoms down that much? First of all, cold atoms can make very good detectors. With so little energy, they’re incredibly sensitive to fluctuations in the environment. So they’re used in devices that find underground oil and mineral deposits, and they also make highly accurate atomic clocks, like the ones used in global positioning satellites.
para obter temperaturas ainda mais baixas. Mas porque é que queremos arrefecer átomos a temperaturas tão baixas? Primeiro que tudo, os átomos frios podem ser detetores muito bons. Com uma energia tão baixa, são extremamente sensíveis às flutuações no meio ambiente. Assim, são usados em aparelhos que encontram depósitos subterrâneos de petróleo e de minerais e também nos relógios atómicos de alta precisão, como os que se usam em satélites de localização.
Secondly, cold atoms hold enormous potential for probing the frontiers of physics. Their extreme sensitivity makes them candidates to be used to detect gravitational waves in future space-based detectors. They’re also useful for the study of atomic and subatomic phenomena, which requires measuring incredibly tiny fluctuations in the energy of atoms. Those are drowned out at normal temperatures, when atoms speed around at hundreds of meters per second. Laser cooling can slow atoms to just a few centimeters per second— enough for the motion caused by atomic quantum effects to become obvious. Ultracold atoms have already allowed scientists to study phenomena like Bose-Einstein condensation, in which atoms are cooled almost to absolute zero and become a rare new state of matter.
Em segundo lugar, os átomos frios têm um potencial enorme para explorar as fronteiras da Física. A sua extrema sensibilidade torna-os candidatos para detetar as ondas gravitacionais em futuros detetores espaciais. Também são úteis no estudo de fenómenos atómicos e subatómicos que requerem medições de flutuações extremamente diminutas de energia. Os átomos são mergulhados em temperaturas normais, quando a velocidade dos átomos é de centenas de metros por segundo. O arrefecimento a laser abranda os átomos até poucos centímetros por segundo, o suficiente para que o movimento provocado pelos efeitos atómicos quânticos se torne óbvio. Os átomos ultrafrios já permitiram que os cientistas estudassem fenómenos tais como a condensação Bose-Einstein, em que os átomos são arrefecidos quase ao zero absoluto
So as researchers continue in their quest to understand the laws of physics
e se tornam num novo estado de matéria muito raro.
and unravel the mysteries of the universe, they’ll do so with the help of the very coldest atoms in it.
Assim, enquanto os investigadores continuam a tentar compreender as leis da Física, e a decifrar os mistérios do Universo,