Cold Atom Lab milik NASA yang ditingkatkan sekali lagi beroperasi di Stasiun Luar Angkasa Internasional, memberikan para peneliti cara baru yang ampuh untuk mempelajari sifat dasar materi dan memajukan pengembangan teknologi kuantum masa depan. Memanfaatkan lingkungan gayaberat mikro stasiun, fasilitas ini memungkinkan eksperimen yang tidak mungkin dilakukan di Bumi.
Ilmu kuantum berfokus pada perilaku materi dan energi pada skala yang sangat kecil, termasuk atom, elektron, dan partikel cahaya. Meskipun atom sering digambarkan sebagai bola-bola kecil yang saling bertabrakan, dunia kuantum jauh lebih aneh. Atom dapat berperilaku seperti gelombang, muncul di beberapa tempat pada waktu yang sama, dan bahkan saling melewati dalam kondisi tertentu.
Penelitian Cold Atom Lab NASA mendekati nol mutlak
Seukuran lemari es mini dan dikendalikan dari jarak jauh dari Bumi, Cold Atom Lab mendinginkan atom hingga suhu di bawah minus 459 derajat Fahrenheit (minus 237 derajat Celcius). Pada suhu sedikit di atas nol mutlak, atom dapat bergabung menjadi keadaan kuantum yang tidak biasa yang dikenal sebagai kondensat Bose-Einstein, atau BEC.
BEC terdiri dari gelombang materi dan dianggap sebagai materi kelima selain padatan, cairan, gas, dan plasma. Meskipun ukurannya jauh lebih besar daripada partikel subatom individual, ia tetap mengikuti hukum mekanika kuantum. Kondisi gayaberat mikro di orbit rendah Bumi memungkinkan gelombang materi ini menjadi lebih besar daripada di Bumi.
“Pada suhu terdingin, materi berperilaku sangat berbeda dari apa pun yang pernah kita ketahui,” kata Jason Williams, ilmuwan proyek Cold Atom Lab di Jet Propulsion Laboratory NASA di California Selatan, yang membangun fasilitas tersebut. “Sifat gelombang materi mendominasi, dan materi ultradingin dapat berperilaku dengan cara yang tidak hanya tidak terduga, namun juga memungkinkan pengukuran waktu, gravitasi, dan gerakan yang sangat tepat. Laboratorium ini memiliki banyak alat – terutama dengan peningkatan terbaru ini – untuk memungkinkan kita menyelidiki sifat alam semesta.”
Fasilitas tersebut saat ini mendukung lima tim peneliti internasional yang mempelajari fisika fundamental. Ini juga berfungsi sebagai tempat pengujian instrumen kuantum yang suatu hari nanti dapat mendukung ilmu bumi dan misi eksplorasi di masa depan.
Cara Kerja Lab Atom Dingin yang Ditingkatkan
Di tengah-tengah fasilitas terdapat kumpulan instrumen canggih yang dikenal sebagai Modul Sains. Versi baru yang ditingkatkan dari modul ini tiba di stasiun luar angkasa pada 11 April dengan menggunakan misi layanan pasokan komersial, sehingga memperluas jangkauan eksperimen yang dapat dilakukan para ilmuwan.
Dalam sebuah percobaan, potongan logam rubidium atau kalium dipanaskan hingga suhu hingga 750°F (400°C), menghasilkan gas di dalam ruang vakum. Para peneliti kemudian menggunakan laser yang disetel dengan cermat untuk menghilangkan energi dari atom. Ketika atom kehilangan energi, mereka melambat dan mendingin secara signifikan.
Setelah tahap pendinginan laser, medan magnet menjebak atom dan mengurungnya. Teknik pendinginan tambahan semakin mengurangi energinya, mendekatkan awan atom dan memungkinkan para ilmuwan memaksimalkan jangka waktu studinya dalam gayaberat mikro.
Mengapa eksperimen kuantum mendapat manfaat dari luar angkasa
Para ilmuwan dapat mempelajari gas ultradingin di laboratorium di Bumi, namun ruang angkasa menawarkan keuntungan penting. Dalam gayaberat mikro, gas kuantum dapat diamati dalam jangka waktu yang lebih lama dan didinginkan hingga suhu yang lebih rendah.
Lingkungan gravitasi rendah juga memungkinkan gelombang kuantum yang lebih besar terbentuk dan berinteraksi dengan gravitasi untuk jangka waktu yang lebih lama. Untuk memungkinkan eksperimen ini dilakukan di stasiun, para insinyur memadatkan laboratorium fisika atom seukuran ruangan, yang berisi laser dan peralatan optik, ke dalam sistem kompak yang dapat dimasukkan ke dalam rak eksperimen di stasiun.
“Sebagai proyek pertama yang menciptakan kondensat Bose-Einstein di orbit, kami menunjukkan bahwa kami dapat membuat teknologi kuantum bekerja dengan andal di luar angkasa,” kata Ethan Elliott, wakil ilmuwan proyek Cold Atom Lab di JPL. “Pada abad terakhir, terjadi revolusi kuantum yang menghasilkan laser, ponsel, dan MRI untuk pencitraan medis. Kita mencapai kuantum 2.0 – manipulasi langsung keadaan kuantum besar – dan kami berharap mendapatkan kemajuan serupa dalam teknologi kuantum dengan memajukan ilmu pengetahuan ini ke orbit.”
Peningkatan baru memperluas kemampuan penelitian kuantum
Peningkatan terbaru ini merupakan peningkatan besar keempat sejak Cold Atom Lab dipasang di Stasiun Luar Angkasa Internasional pada tahun 2018.
Di antara perbaikan paling signifikan adalah desain ulang perangkap magnet yang mampu mengubah bentuk awan gas kuantum. Hal ini memberi para peneliti peluang baru untuk mempelajari sifat dan perilaku atom ultradingin. Para insinyur juga memperkenalkan sumber atom logam yang didesain ulang yang menghasilkan awan gas yang digunakan dalam eksperimen.
“Ini adalah hal yang paling dekat dengan pengendalian batas-batas dunia kuantum,” kata Kamal Oudhiri, manajer proyek Cold Atom Lab di JPL, mengacu pada suhu rendah ini. “Peningkatan baru ini mendorong batasan tersebut lebih jauh lagi.”
Oudrhiri menambahkan bahwa perangkat keras baru ini “menunjukkan kemampuan NASA untuk mempertahankan kepemimpinan AS dalam teknologi kuantum ruang angkasa sambil memajukan instrumen kuantum masa depan, seperti interferometer gelombang materi untuk misi fisika dasar, penentuan posisi, navigasi, penentuan waktu dan penginderaan gravitasi Bumi, Bulan, dan sekitarnya.”
Memajukan teknologi kuantum di luar angkasa
Cold Atom Lab dikelola oleh Caltech di Pasadena, sedangkan Jet Propulsion Laboratory NASA merancang, membangun, dan mengoperasikan fasilitas tersebut. Proyek ini disponsori oleh Divisi Ilmu Biologi dan Fisika Direktorat Misi Sains NASA di Washington.
Divisi ini mendukung penemuan ilmiah dengan menggunakan kondisi ruang yang unik untuk melakukan eksperimen yang tidak dapat dilakukan di Bumi. Dengan mempelajari proses biologis dan fisik di lingkungan ekstrem, peneliti memperoleh pengetahuan yang dapat membantu manusia melakukan perjalanan lebih jauh dan tinggal lebih lama di luar angkasa, sekaligus menghasilkan manfaat bagi kehidupan di Bumi.
