China anuncia recorde de arrefecimento atómico a 9,7 picocelvin a bordo da sua estação espacial

Uma nuvem de átomos pouco acima do zero absoluto

Cientistas chineses arrefeceram uma nuvem de átomos de rubídio a bordo do módulo laboratorial Mengtian da estação espacial da China até uma temperatura equivalente a 9,7 picocelvin, segundo a equipa de investigação, observando a sua expansão durante sete segundos. O resultado combina uma temperatura invulgarmente baixa com um longo período de observação, duas condições que poderão ajudar os cientistas a medir a gravidade e a investigar o comportamento quântico com maior precisão.

O Centro de Tecnologia e Engenharia para a Utilização do Espaço da Academia Chinesa de Ciências anunciou o feito a 6 de novembro de 2026. O estudo, intitulado Gases quânticos abaixo de 10 picocelvin no espaço, foi publicado online na revista Science. O centro liderou o projeto em colaboração com a Universidade de Pequim e o Instituto de Óptica e Mecânica Fina de Xangai.

A equipa descreve o resultado como um recorde para a matéria artificial mais fria. O valor de 9,7 picocelvin corresponde a cerca de um quarto dos 38 picocelvin alcançados por uma equipa da Universidade de Bremen em 2021, e a menos de um quinto dos 52 picocelvin atingidos pelo Laboratório de Átomos Frios da NASA a bordo da Estação Espacial Internacional em 2022.

Um picocelvin é um bilionésimo de kelvin. O novo valor equivale, portanto, a 0,0000000000097 kelvin acima do zero absoluto, a temperatura correspondente a menos 273,15 graus Celsius. Os cientistas calculam esta temperatura equivalente a partir da expansão extremamente lenta dos átomos libertados. A temperatura descreve o movimento dessa minúscula nuvem atómica no interior do aparelho.

A cerca de 400 quilómetros acima da Terra, a experiência tira partido do ambiente de microgravidade da estação para reduzir as forças que mantêm os átomos confinados e observá-los durante mais tempo do que seria possível num laboratório compacto em terra.

O que significa arrefecer átomos

Os átomos de rubídio movem-se normalmente em várias direções e a velocidades diferentes. O arrefecimento reduz o movimento aleatório de um grupo de átomos. A temperaturas extremamente baixas e com densidades adequadas, podem formar um condensado de Bose-Einstein, um estado no qual muitos átomos partilham o mesmo estado quântico e se comportam coletivamente.

Um condensado proporciona aos investigadores um sistema maior e controlável para estudar fenómenos geralmente associados a partículas individuais. Em vez de tentarem acompanhar um átomo no meio de movimentos rápidos, os cientistas podem preparar uma nuvem organizada, alterar o ambiente e medir a sua resposta.

A temperatura equivalente da experiência é calculada com base na lentidão com que a nuvem se dispersa depois de ser libertada. Uma nuvem cujos átomos têm muito pouco movimento relativo expande-se muito lentamente. Observar essa expansão ajuda os investigadores a determinar a energia associada ao movimento.

De acordo com as leis da termodinâmica, o zero absoluto permanece fora de alcance. O objetivo prático é reduzir suficientemente o movimento atómico para revelar efeitos subtis e manter condições experimentais úteis durante mais tempo. Nesta experiência, os sete segundos de observação são uma parte central do feito.

Porque são importantes sete segundos no espaço

A gravidade terrestre cria dois problemas interligados nas experiências de arrefecimento. Atrai os átomos para baixo quando os investigadores enfraquecem a armadilha e limita o tempo durante o qual uma nuvem libertada pode permanecer na câmara de observação. Uma armadilha mais fraca facilita o arrefecimento, mas também tem menos capacidade para contrariar a gravidade.

A estação espacial e o seu equipamento laboratorial caem em conjunto à volta da Terra. Isso cria microgravidade, permitindo que os átomos permaneçam perto do aparelho com um confinamento muito mais fraco. Os cientistas podem então arrefecê-los ainda mais e observar a sua expansão durante mais tempo.

Wolfgang Ketterle, professor de Física no Instituto de Tecnologia de Massachusetts e galardoado com o Prémio Nobel da Física em 2001, explicou a dimensão do problema de uma experiência com a duração de sete segundos na Terra:

«Na Terra, cairia cerca de 250 metros e acabaria por embater no chão, a menos que houvesse uma câmara de vácuo com 250 metros de altura»,

O laboratório orbital proporciona essa oportunidade de observação prolongada num instrumento compacto. Os investigadores em terra operam remotamente o equipamento, recorrendo a controlos automatizados para executar a sequência de arrefecimento cuidadosamente cronometrada.

Como a luz laser se transforma numa armadilha atómica

O instrumento contém cerca de 5 gramas de rubídio metálico, que serve de fonte de átomos. A sequência começa por aquecer o metal para libertar vapor. Em seguida, lasers e campos magnéticos capturam e arrefecem inicialmente átomos desse vapor, antes de a equipa os transferir para armadilhas formadas por luz laser.

Os investigadores usam duas etapas de armadilhas ópticas cruzadas. Numa armadilha óptica, feixes laser cuidadosamente dispostos exercem forças que mantêm os átomos numa pequena região. Reduzir a intensidade da luz torna a armadilha mais superficial, permitindo que os átomos mais energéticos escapem. Em média, os átomos restantes têm menos energia; este processo chama-se arrefecimento evaporativo.

A etapa final recorre à expansão não adiabática, uma alteração controlada do confinamento que permite à nuvem expandir-se e reduz ainda mais o movimento associado à sua temperatura efetiva. Em conjunto, as várias etapas levaram a nuvem de rubídio a uma temperatura inferior a 10 picocelvin.

A microgravidade também criou uma dificuldade técnica: a evaporação numa armadilha óptica tornou-se menos eficiente. A equipa desenvolveu um método que utiliza um gradiente magnético adicional, ou seja, um campo magnético cuja intensidade varia no espaço, para ajudar no processo e produzir um condensado de elevada pureza.

A armadilha óptica continua a ser a principal ferramenta nas fases avançadas de arrefecimento, enquanto os campos magnéticos auxiliam algumas etapas da preparação. Coordenar estas funções exige um controlo preciso da intensidade do laser, da temporização e das perturbações externas.

Uma abordagem diferente da utilizada na Estação Espacial Internacional

O Laboratório de Átomos Frios da NASA utilizou armadilhas magnéticas criadas com um chip atómico, evaporação por radiofrequência e uma técnica final de arrefecimento que envolve um pulso curto. A equipa chinesa optou, em vez disso, pelo confinamento óptico, pela evaporação controlada através da intensidade da luz e pelo arrefecimento profundo através da expansão.

Os investigadores afirmam que as armadilhas ópticas oferecem flexibilidade útil para futuras experiências e reduzem a sensibilidade às interferências magnéticas durante o confinamento. Vários feixes laser podem também criar estruturas úteis para a simulação quântica, na qual um sistema atómico controlável reproduz características selecionadas de outro sistema físico.

Os recordes anteriores permitem duas comparações. O resultado de 38 picocelvin alcançado em Bremen em 2021 recorreu a uma torre de queda para criar um breve período de microgravidade. A experiência na Estação Espacial Internacional atingiu 52 picocelvin em 2022. Os 9,7 picocelvin anunciados pela China são cerca de 3,9 vezes inferiores ao valor de Bremen e cerca de 5,4 vezes inferiores ao resultado orbital anterior.

A nova experiência combina o resultado de temperatura com sete segundos de expansão observada. Para os investigadores que preparam experiências de precisão, uma nuvem que se mantém lenta e observável durante mais tempo pode ser mais útil do que um recorde de temperatura por si só.

De uma sala de laboratório a um armário orbital

O aparelho terrestre ocupava cerca de 20 metros cúbicos e pesava aproximadamente 10 toneladas. As especificações técnicas indicam que o armário orbital integrado ocupa cerca de 0,7 metros cúbicos e pesa 500 quilogramas. O anúncio do centro também refere menos de um metro cúbico, cerca de 300 quilogramas e aproximadamente 700 watts; a diferença entre os valores de massa indicados não foi explicada.

Segundo os valores técnicos mais detalhados, o sistema orbital ocupa cerca de um vigésimo nono do volume do sistema terrestre e tem um vigésimo da sua massa. Para alcançar esta redução, foi necessário integrar lasers, ótica de precisão, equipamento de vácuo e controlos eletrónicos num espaço muito limitado.

Os responsáveis pelo desenvolvimento utilizaram ligações de fibra ótica para o sistema laser, controlo preciso dos lasers, vácuo ultraelevado, eletrónica automatizada e isolamento de vibrações. O vácuo reduz as colisões com partículas de gás indesejadas, enquanto o isolamento limita perturbações mecânicas que poderiam desestabilizar a nuvem delicada.

O armário tem também um design modular. Os investigadores podem selecionar módulos experimentais e sequências temporais para diferentes estudos, permitindo que a mesma plataforma suporte vários tipos de investigação quântica, em vez de se limitar a uma demonstração de arrefecimento.

Um avanço decisivo antes do lançamento

A avaliação inicial do projeto começou em 2011, muito antes de o aparelho chegar à órbita. Surgiu uma dificuldade crítica perto do final de 2021, quando a equipa não conseguiu repetidamente produzir o condensado de Bose-Einstein necessário para as etapas seguintes do arrefecimento.

Os responsáveis pelo desenvolvimento obtiveram mais 10 dias para resolver o problema antes da decisão sobre a inclusão do instrumento no voo previsto. Testaram e ajustaram o hardware e o software de todo o sistema. O condensado surgiu finalmente nas primeiras horas de 8 de janeiro de 2022, permitindo ultrapassar uma etapa decisiva rumo ao lançamento.

Os principais marcos estendem-se por mais de uma década:

• 2011: Começou a avaliação inicial da experiência com átomos ultrafrios na estação espacial.
• Final de 2021: As dificuldades em produzir um condensado ameaçaram a inclusão prevista do instrumento no voo.
• 8 de janeiro de 2022: Após um intenso trabalho de resolução de problemas, a equipa produziu o condensado necessário.
• 2022: O equipamento foi transportado para a estação espacial a bordo do módulo laboratorial Mengtian.
• 6 de novembro de 2026: Foi anunciado o resultado de 9,7 picocelvin e o estudo foi publicado online na Science.

O professor da Universidade de Pequim Zhou Xiaoji e o investigador do Instituto de Óptica e Mecânica Fina de Xangai Chen Weibiao foram alguns dos autores correspondentes do estudo. Entre os investigadores identificados como coautores principais estão Li Tang, do instituto de Xangai, e Xiong Wei e Jin Shengjie, da Universidade de Pequim.

Medições mais longas poderão revelar efeitos mais subtis

Os interferómetros atómicos estão entre os instrumentos que poderão beneficiar da nova plataforma. Utilizam as propriedades ondulatórias dos átomos, dividindo e recombinando ondas atómicas para que o padrão resultante revele efeitos como a aceleração ou a gravidade.

Ernst M. Rasel, professor de Física na Universidade Leibniz de Hanôver, na Alemanha, descreveu as condições de que estes instrumentos necessitam:

«Os interferómetros atómicos beneficiam muito de fontes que forneçam um grande número de átomos num conjunto ultrafrio e longos tempos de observação»,

Rasel explicou que a sensibilidade dos interferómetros aumenta com o quadrado do tempo que os átomos passam no instrumento. Mantendo as restantes condições inalteradas, duplicar esse tempo pode multiplicar por quatro a resposta ao efeito medido. Por isso, a observação prolongada é especialmente valiosa para sinais muito ténues.

O passo seguinte que identificou é um interferómetro orbital no qual as ondas atómicas permaneçam divididas de forma coerente durante vários segundos. Coerência significa preservar a relação entre as ondas para que possam produzir uma medição útil quando forem recombinadas. Os sete segundos de observação da nuvem são um ponto de partida para desenvolver essa capacidade.

Os investigadores preveem aplicações na cartografia da gravidade terrestre, na navegação e na determinação das órbitas dos satélites. Medições mais precisas da gravidade também poderão ajudar a acompanhar alterações nos glaciares e nas correntes oceânicas, uma vez que o movimento da água e do gelo altera a distribuição da massa da Terra.

Uma plataforma para experiências quânticas

O sistema óptico poderá permitir a criação de redes ópticas, padrões de luz laser que mantêm átomos em disposições semelhantes às de um cristal. Ao alterar a disposição e as interações, os investigadores podem estudar o comportamento de conjuntos de partículas em condições controladas.

Chen Weibiao apontou as transições de fase quânticas, o comportamento de muitas partículas quânticas em interação e os testes de teorias físicas fundamentais como possíveis áreas de investigação. O projeto enumera também simulações relacionadas com o Universo primordial, pesquisas sobre matéria escura ultraleve e estudos relacionados com modelos de Higgs entre as linhas de investigação propostas.

Trata-se de experiências futuras que exigirão os seus próprios projetos e medições. O feito imediato é disponibilizar uma fonte de átomos extremamente lentos e um período prolongado para os estudar. Os investigadores consideram também possíveis aplicações em sensores quânticos e relógios atómicos no espaço.

Lü Congmin, responsável pelo projeto do sistema de aplicação espacial do programa espacial tripulado da China e diretor-adjunto do centro de utilização do espaço, convidou investigadores de todo o mundo a realizar experiências com o equipamento e a partilhar oportunidades experimentais. Não foi anunciado qualquer calendário para candidaturas nem uma data para as experiências de seguimento propostas.

Ketterle descreveu o feito como «um excelente ponto de partida para fazer avançar a termometria atómica e as medições de precisão». A termometria atómica, a medição da temperatura em sistemas atómicos, continuará a ser uma área fundamental para compreender e melhorar experiências deste tipo.

Principais pontos

• A equipa da estação espacial chinesa afirma ter arrefecido uma nuvem de átomos de rubídio até uma temperatura equivalente a 9,7 picocelvin e observado a sua expansão durante sete segundos.
• A experiência decorreu no módulo laboratorial Mengtian, utilizando um equipamento lançado em 2022.
• A temperatura anunciada é inferior aos 38 picocelvin alcançados em Bremen em 2021 e aos 52 picocelvin atingidos a bordo da Estação Espacial Internacional em 2022.
• A sequência de arrefecimento combina confinamento óptico, arrefecimento evaporativo assistido por um gradiente magnético e expansão não adiabática.
• A investigação futura poderá incluir simulações quânticas, interferómetros atómicos, medições da gravidade e testes de física fundamental.