NASALaboratorium Atom Dingin di Stasiun Luar Angkasa Internasional menggunakan teknologi kuantum untuk sains ruang angkasa tingkat lanjut, menawarkan wawasan baru tentang medan gravitasi, materi gelap, dan energi gelap, serta menguji aspek relativitas umum dalam gayaberat mikro.
Misi luar angkasa masa depan dapat menggunakan teknologi kuantum untuk melacak air di Bumi, menjelajahi komposisi bulan dan planet lain, atau menyelidiki fenomena kosmik misterius.
Laboratorium Atom Dingin NASA, fasilitas pertama di Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS), telah mengambil langkah maju untuk merevolusi cara sains kuantum dapat digunakan di luar angkasa. Anggota tim sains mengukur getaran halus stasiun luar angkasa dengan salah satu peralatan laboratorium di dalamnya — pertama kalinya atom ultra-dingin digunakan untuk mendeteksi perubahan lingkungan sekitar di luar angkasa.
Studi yang diterbitkan di Komunikasi Alam pada tanggal 13 Agustus, juga melaporkan demonstrasi terpanjang mengenai sifat seperti gelombang dari atom saat jatuh bebas di luar angkasa.
Kemajuan dalam Pengukuran Kuantum
Tim ilmuwan Laboratorium Atom Dingin melakukan pengukuran mereka dengan alat kuantum yang disebut atom interferometer, yang dapat mengukur gravitasi, medan magnet, dan gaya lainnya secara tepat. Ilmuwan dan insinyur di Bumi menggunakan alat ini untuk mempelajari sifat dasar gravitasi dan memajukan teknologi yang membantu navigasi pesawat dan kapal. (Ponsel, transistor, dan Bahasa Indonesia: GPS hanyalah beberapa teknologi utama lainnya yang berbasis pada ilmu kuantum tetapi tidak melibatkan interferometri atom.)
Laboratorium Atom Dingin NASA di Stasiun Luar Angkasa Internasional secara teratur merupakan tempat terdingin yang diketahui di alam semesta. Namun mengapa para ilmuwan menghasilkan awan atom yang suhunya hanya sepersekian derajat di atas nol mutlak? Dan mengapa mereka perlu melakukannya di luar angkasa? Tentu saja fisika kuantum. Beginilah cara CAL membantu para ilmuwan mempelajari lebih lanjut tentang fisika di balik berbagai hal seperti teknologi miniatur dan sifat dasar partikel yang menyusun segala sesuatu yang kita lihat. Kredit: NASA Jet Propulsion Laboratory
Para fisikawan sangat ingin menerapkan interferometri atom di luar angkasa karena gravitasi mikro di sana memungkinkan waktu pengukuran yang lebih lama dan sensitivitas instrumen yang lebih tinggi, tetapi peralatan yang sangat sensitif tersebut dianggap terlalu rapuh untuk berfungsi dalam jangka waktu lama tanpa bantuan langsung. Laboratorium Atom Dingin, yang dioperasikan dari jarak jauh dari Bumi, kini telah menunjukkan bahwa hal itu memungkinkan.
“Mencapai tonggak sejarah ini merupakan tantangan yang sangat besar, dan keberhasilan kami tidak selalu mudah diraih,” kata Jason Williams, ilmuwan proyek Cold Atom Lab di Laboratorium Propulsi Jet NASA di California Selatan. “Dibutuhkan dedikasi dan jiwa petualang dari tim untuk mewujudkannya.”
Wawasan Gravitasi dan Lebih Jauh Lagi
Sensor berbasis ruang angkasa yang dapat mengukur gravitasi dengan presisi tinggi memiliki berbagai macam aplikasi potensial. Misalnya, sensor tersebut dapat mengungkap komposisi planet dan bulan dalam tata surya kita, karena material yang berbeda memiliki kepadatan yang berbeda yang menciptakan variasi gravitasi yang halus.
Jenis pengukuran ini sudah dilakukan oleh kolaborasi AS-Jerman GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-on), yang mendeteksi sedikit perubahan gravitasi untuk melacak pergerakan air dan es di Bumi. Sebuah interferometer atom dapat memberikan presisi dan stabilitas tambahan, mengungkap lebih banyak detail tentang perubahan massa permukaan.
Pengukuran gravitasi yang tepat juga dapat memberikan wawasan tentang sifat materi gelap dan energi gelap, dua misteri kosmologi utama. Materi gelap adalah zat tak kasat mata yang jumlahnya lima kali lebih banyak di alam semesta daripada materi “biasa” yang menyusun planet, bintang, dan segala sesuatu yang dapat kita lihat. Energi gelap adalah nama yang diberikan kepada pendorong yang tidak diketahui dari percepatan perluasan alam semesta.
“Interferometri atom juga dapat digunakan untuk menguji teori relativitas umum Einstein dengan cara baru,” kata profesor Universitas Virginia Cass Sackett, peneliti utama Cold Atom Lab dan salah satu penulis studi baru tersebut. “Ini adalah teori dasar yang menjelaskan struktur skala besar alam semesta kita, dan kita tahu bahwa ada aspek-aspek teori yang tidak kita pahami dengan benar. Teknologi ini dapat membantu kita mengisi celah-celah tersebut dan memberi kita gambaran yang lebih lengkap tentang realitas yang kita huni.”
Laboratorium Atom Dingin NASA mempelajari sifat kuantum atom, blok pembangun alam semesta kita, di tempat yang jauh dari dunia ini – Stasiun Luar Angkasa Internasional. Penjelasan animasi ini membahas apa itu sains kuantum dan mengapa NASA ingin melakukannya di luar angkasa. Kredit: NASA/Bahasa Inggris JPL-Caltech
Laboratorium Atom Dingin: Laboratorium Kuantum Mikrogravitasi
Berukuran seperti kulkas mini, Cold Atom Lab diluncurkan ke stasiun luar angkasa pada tahun 2018 dengan tujuan memajukan ilmu kuantum dengan menempatkan fasilitas jangka panjang di lingkungan gravitasi mikro di orbit Bumi rendah. laboratorium mendinginkan atom hingga hampir nol mutlak, atau minus 459 derajat derajat fahrenheit (minus 273 derajat Celsius). Pada suhu ini, beberapa atom dapat membentuk kondensat Bose-Einstein, yaitu keadaan materi di mana semua atom pada dasarnya memiliki identitas kuantum yang sama. Akibatnya, beberapa sifat kuantum atom yang biasanya mikroskopis menjadi makroskopis, sehingga lebih mudah dipelajari.
Sifat kuantum terkadang bertindak seperti partikel padat dan terkadang seperti gelombang. Para ilmuwan tidak tahu bagaimana blok penyusun semua materi ini dapat bertransisi di antara perilaku fisik yang berbeda, tetapi mereka menggunakan teknologi kuantum seperti yang tersedia di Laboratorium Atom Dingin untuk mencari jawaban.
Dalam gravitasi mikro, kondensat Bose-Einstein dapat mencapai suhu yang lebih dingin dan bertahan lebih lama, sehingga memberi para ilmuwan lebih banyak kesempatan untuk mempelajarinya. Interferometer atom merupakan salah satu dari beberapa alat di fasilitas tersebut yang memungkinkan pengukuran presisi dengan memanfaatkan sifat kuantum atom.
Karena perilakunya yang seperti gelombang, satu atom dapat secara bersamaan menempuh dua jalur yang terpisah secara fisik. Jika gravitasi atau gaya lain bekerja pada gelombang tersebut, para ilmuwan dapat mengukur pengaruh tersebut dengan mengamati bagaimana gelombang tersebut bergabung kembali dan berinteraksi.
Menjelajahi Masa Depan Kuantum
“Saya berharap bahwa interferometri atom berbasis ruang angkasa akan menghasilkan penemuan-penemuan baru yang menarik dan teknologi kuantum yang fantastis yang berdampak pada kehidupan sehari-hari, dan akan membawa kita ke masa depan kuantum,” kata Nick Bigelow, seorang profesor di University of Rochester di New York dan kepala peneliti Cold Atom Lab untuk konsorsium ilmuwan AS dan Jerman yang ikut menulis penelitian tersebut.
Referensi: “Eksperimen Pathfinder dengan interferometri atom di Laboratorium Atom Dingin di Stasiun Luar Angkasa Internasional” oleh Jason R. Williams, Charles A. Sackett, Holger Ahlers, David C. Aveline, Patrick Boegel, Sofia Botsi, Eric Charron, Ethan R. Elliott, Naceur Gaaloul, Enno Giese, Waldemar Herr, James R. Kellogg, James M. Kohel, Norman E. Lay, Matthias Meister, Gabriel Müller, Holger Müller, Kamal Oudrhiri, Leah Phillips, Annie Pichery, Ernst M. Rasel, Albert Roura, Matteo Sbroscia, Wolfgang P. Schleich, Christian Schneider, Christian Schubert, Bejoy Sen, Robert J. Thompson dan Nicholas P. Bigelow, 13 Agustus 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-50585-6
Lebih Lanjut Tentang Laboratorium Atom Dingin
Laboratorium Atom Dingin milik NASA, yang terletak di Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS), merupakan upaya inovatif untuk memanfaatkan teknologi kuantum di lingkungan gravitasi mikro yang unik di luar angkasa. Diluncurkan pada tahun 2018, laboratorium kompak ini, seukuran kulkas mini, mendinginkan atom hingga mendekati nol absolut, menciptakan kondisi di mana fenomena kuantum dapat diamati lebih jelas daripada di Bumi.
Alat utama lab, yaitu interferometer atom, memungkinkan pengukuran gaya gravitasi yang tepat, memberikan wawasan tentang sifat dasar gravitasi dan petunjuk potensial tentang materi gelap dan energi gelap. Dengan memanfaatkan kondisi jatuh bebas yang berkepanjangan di ISS, Lab Atom Dingin menyediakan platform yang tak tertandingi untuk memajukan ilmu kuantum, yang berpotensi menghasilkan teknologi baru dan pemahaman yang lebih mendalam tentang alam semesta.