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 localizados na Antártica. Nem no topo do monte Everest ou enterrados em uma geleira. Estão dentro de laboratórios de física: nuvens de gases a poucas frações de um grau acima do zero absoluto. Isso é 395 milhões de vezes mais frio do que a sua geladeira, 100 milhões de vezes mais frio que o nitrogênio líquido e 4 milhões de vezes mais frio que o espaço sideral. A temperaturas tão baixas, os cientistas compreendem o funcionamento da matéria e os engenheiros constroem aparelhos incrivelmente sensíveis, que nos ensinam sobre tudo, da nossa localização exata no planeta ao que acontece nas regiões mais distantes 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 temperaturas tão extremas? Em resumo, ao desacelerar as partículas que estão em movimento. Quando falamos sobre temperatura, na verdade estamos falamos em movimento. Os átomos que fazem parte dos sólidos, dos líquidos e dos gases estão em constante movimento. Quando os átomos se movem mais rápido, entendemos a matéria como quente. Quando se movem mais devagar, entendemos a matéria como 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.
No dia a dia, para esfriar um objeto ou gás quente, nós o colocamos em um ambiente mais frio, como a geladeira. Uma parte do movimento atômico no objeto quente se transfere para o ambiente e ele esfria. Mas existe um limite: até mesmo o espaço sideral é quente demais para criar temperaturas muito baixas. Em vez disso, os cientistas descobriram uma maneira de desacelerar os átomos de forma direta, com um 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 maioria das circunstâncias, a energia do laser aquece as coisas. Mas, se for usado de forma muito precisa, o impulso do raio pode retardar os átomos em movimento, esfriando-os. É o que ocorre num aparelho chamado de armadilha magneto-ótica. Os átomos são injetados numa câmera de vácuo e o campo magnético os atrai para o centro. Um laser apontado para o meio da câmara é ajustado na frequência exata em que um átomo que se mova na sua direção absorva um de seus fótons e desacelere. O efeito de desaceleração advém da transferência de impulso entre o átomo e o fóton. Um total de seis raios, em um arranjo perpendicular, garantem que os átomos se movendo em todas as direções serão interceptados. No centro, onde os raios se cruzam, os átomos se movem bem devagar, como se presos num líquido denso, um efeito que os pesquisadores descreveram como "melado ótico". Uma armadilha magneto-ótica pode esfriar os átomos até poucos microkelvins, ou cerca de menos 273 graus Celsius. Essa técnica foi desenvolvida nos anos 80,
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.
e os cientistas que a desenvolveram ganharam o Prêmio Nobel de Física, em 1997, pela descoberta. Desde então,
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.
o resfriamento a laser foi refinado para atingir temperaturas mais baixas. Mas para que resfriar tanto os átomos? Primeiro, átomos frios são excelentes detectores. Com tão pouca energia, eles se tornam incrivelmente sensíveis a flutuações no ambiente. São usados em aparelhos para encontrar depósitos de óleos e minerais subterrâneos e também servem como relógios atômicos muito precisos,
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.
como os utilizados em satélites de posicionamento global. Segundo, átomos frios têm um bom potencial para explorar as fronteiras da física. A extrema sensibilidade faz com que sejam candidatos ao uso na detecção de ondas gravitacionais em futuros detectores no espaço. Também são úteis no estudo dos fenômenos atômicos e subatômicos, que necessitam da medição de flutuações mínimas na energia dos átomos. Elas ficam minimizadas nas temperaturas normais, quando os átomos se movem a centenas de metros por segundo. O resfriamento a laser pode desacelerar os átomos para centímetros por segundo, o suficiente para que o movimento causado pelos efeitos quânticos se torne óbvio. Os átomos superfrios já permitiram que os cientistas estudassem fenômenos como o condensado de Bose-Einstein, em que os átomos são resfriados até quase atingir o zero absoluto e se tornam um raro e novo estado da matéria.
So as researchers continue in their quest to understand the laws of physics and unravel the mysteries of the universe, they’ll do so with the help of the very coldest atoms in it.
Enquanto os pesquisadores continuarem a jornada para entender as leis da física e desvendar os mistérios do Universo, contarão com a ajuda dos átomos mais frios que existem nele.