Para peneliti berencana untuk mempelajari materi pada 100 pico-Kelvin. Pada suhu rendah seperti itu, konsep biasa padat, cair dan gas tidak lagi relevan.
Semua orang tahu bahwa ruang itu dingin. Di jurang yang lebar antara bintang dan galaksi, suhu materi gas turun menjadi 3 derajat K, atau 454 derajat di bawah nol Fahrenheit.
Akan semakin dingin.
Peneliti NASA berencana untuk menciptakan tempat terdingin di alam semesta yang diketahui dalam Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS).
"Kami akan mempelajari materi pada suhu yang jauh lebih dingin daripada yang ditemukan secara alami," kata Rob Thompson dari JPL. Dia adalah Project Scientist untuk Cold Atom Lab NASA, 'lemari es' atom yang dijadwalkan untuk diluncurkan ke ISS pada 2016. "Kami bertujuan untuk mendorong suhu efektif hingga 100 pico-Kelvin."
100 pico-Kelvin hanya sepersepuluh miliar derajat di atas nol mutlak, di mana semua aktivitas termal atom secara teoritis berhenti. Pada suhu rendah seperti itu, konsep biasa padat, cair dan gas tidak lagi relevan. Atom-atom yang berinteraksi tepat di atas ambang nol energi menciptakan bentuk-bentuk materi baru yang pada dasarnya ... kuantum.
Mekanika kuantum adalah cabang fisika yang menggambarkan aturan aneh cahaya dan materi pada skala atom. Di alam itu, materi bisa berada di dua tempat sekaligus; objek berperilaku baik sebagai partikel maupun gelombang; dan tidak ada yang pasti: dunia kuantum berjalan pada probabilitas.
Ke dalam ranah aneh inilah para peneliti yang menggunakan Cold Atom Lab akan terjun.
"Kita akan mulai," kata Thompson, "dengan mempelajari Kondensat Bose-Einstein."
Pada 1995, para peneliti menemukan bahwa jika Anda mengambil beberapa juta atom rubidium dan mendinginkannya mendekati nol mutlak, mereka akan bergabung menjadi satu gelombang materi. Triknya juga berhasil dengan natrium. Pada tahun 2001, Eric Cornell dari Institut Nasional Standar & Teknologi dan Carl Wieman dari University of Colorado berbagi Hadiah Nobel dengan Wolfgang Ketterle dari MIT atas penemuan independen mereka terhadap kondensat ini, yang diprediksi oleh Albert Einstein dan Satyendra Bose pada awal abad ke-20. .
Jika Anda membuat dua BEC dan menggabungkannya, mereka tidak bercampur seperti gas biasa. Sebaliknya, mereka dapat "mengganggu" seperti gelombang: tipis, lapisan materi paralel dipisahkan oleh lapisan tipis ruang kosong. Sebuah atom dalam satu BEC dapat menambahkan dirinya ke sebuah atom dalam BEC lain dan menghasilkan - tidak ada atom sama sekali.
"Laboratorium Atom Dingin memungkinkan kita untuk mempelajari objek-objek ini pada suhu yang paling rendah," kata Thompson.
Laboratorium juga merupakan tempat di mana para peneliti dapat mencampur gas atom yang sangat keren dan melihat apa yang terjadi. "Campuran berbagai jenis atom dapat mengambang bersama hampir sepenuhnya bebas dari gangguan," jelas Thompson, "memungkinkan kita untuk melakukan pengukuran sensitif dari interaksi yang sangat lemah. Ini bisa mengarah pada penemuan fenomena kuantum yang menarik dan baru. ”
Stasiun luar angkasa adalah tempat terbaik untuk melakukan penelitian ini. Microgravity memungkinkan para peneliti untuk mendinginkan bahan pada suhu yang jauh lebih dingin daripada yang mungkin terjadi di tanah.
Thompson menjelaskan alasannya:
"Ini adalah prinsip dasar termodinamika bahwa ketika gas mengembang, ia menjadi dingin. Sebagian besar dari kita memiliki pengalaman langsung dengan ini. Jika Anda menyemprotkan kaleng aerosol, kaleng itu menjadi dingin. ”
Gas kuantum didinginkan dengan cara yang hampir sama. Di tempat kaleng aerosol, kami memiliki trap perangkap magnetik. ’
"Di ISS, jebakan ini bisa dibuat sangat lemah karena mereka tidak harus mendukung atom melawan tarikan gravitasi. Perangkap yang lemah memungkinkan gas untuk mengembang dan mendingin ke suhu yang lebih rendah daripada yang mungkin terjadi di tanah. "
Tidak ada yang tahu ke mana penelitian fundamental ini akan mengarah. Bahkan aplikasi "praktis" yang didaftarkan oleh Thompson — sensor kuantum, interferometer gelombang materi, dan laser atom, hanya untuk menyebut beberapa — terdengar seperti fiksi ilmiah. "Kami memasukkan yang tidak dikenal," katanya.
Para peneliti seperti Thompson menganggap Lab Atom Dingin sebagai pintu masuk ke dunia kuantum. Bisakah pintu berayun dua arah? Jika suhunya turun cukup rendah, “kita akan dapat mengumpulkan paket gelombang atom selebar rambut manusia — yaitu, cukup besar untuk dilihat mata manusia.” Makhluk fisika kuantum akan memasuki dunia makroskopis.
Dan kemudian kegembiraan yang sebenarnya dimulai.