Under 2018, ett nytt atomiskt kylskåp kommer att sprängas av för rymdstationen. Det kallas Cold Atom Lab (CAL), och den kan kyla ner materia till en tio miljarddels grad över absoluta nollpunkten, precis ovanför den punkt där all termisk aktivitet hos atomer teoretiskt sett stannar.

"Vid denna temperatur, atomer förlorar sin energi och börjar röra sig mycket långsamt, " förklarar Rob Thompson, CAL-projektforskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory (JPL). "Vid rumstemperatur, atomer studsar av varandra i alla riktningar med några hundra meter per sekund. Men i CAL kommer de att sakta ner miljonfalt och kondensera till unika tillstånd av kvantmateria."

CAL är en fleranvändaranläggning som stödjer många utredare som studerar ett brett spektrum av ämnen.

Eric Cornell, en fysiker vid University of Colorado och National Institute of Standards and Technology, kommer att leda ett av de första CAL-experimenten. Cornell och hans team kommer att använda CAL för att undersöka partikelkollisioner och hur partiklar interagerar med varandra. Ultrakalla gaser som produceras av Cold Atom Lab kan innehålla molekyler med tre atomer vardera, men som är tusen gånger större än en typisk molekyl. Detta resulterar i en låg densitet, "fluffig" molekyl som snabbt faller isär om den inte hålls extremt kall. Hur påverkas partikelbeteendet när fler partiklar introduceras? Vad kan man lära sig om kvantobjekt när flera atomer interagerar samtidigt?

Cornell säger, "Sättet atomer beter sig i det här tillståndet blir mycket komplext, överraskande och kontraintuitivt, och det är därför vi gör det här."

Cornell fick 2001 års Nobelpris i fysik för att skapa Bose-Einstein-kondensat – ett annat tillstånd av kvantmateria som kan studeras i CAL.

Bose-Einstein-kondensat är i huvudsak klumpar av kvantmateria som ser ut och beter sig som vågor som finns vid dessa extremt kalla temperaturer. I rymdens fria fall, kondensaten kan hålla sina vågliknande former i fem till tio sekunder – mycket längre än på jorden – vilket ger forskarna ett fönster in i kvantvärlden.

Thompson säger, "Vi kan använda CAL för att testa allmän relativitet och kvantmekanik. En av fysikens största frågor idag är hur de två fungerar tillsammans."

University of Rochester fysiker Nick Bigelow, och University of Berkeley-forskaren Holger Müller tillsammans med sina kollegor planerar att använda CAL för att testa en hörnsten i Einsteins relativitetsteori – likvärdighetsprincipen, som hävdar att gravitation och yttre acceleration inte kan särskiljas experimentellt. De planerar att upprepa Galileos ikoniska experiment med att släppa kanonkulor från det lutande tornet i Pisa, men använder atomer istället. Att tappa atomer inuti CAL och låta dem falla i flera sekunder när stationen kretsar runt jorden gör det möjligt för forskare att exakt ta reda på skillnaderna mellan hur atomerna accelererar. Detta experiment kan avslöja hur gravitation och rum-tid vävs genom kvantvärlden.

En forskare vid JPL vid namn Jason Williams planerar också att använda ultrakalla tvåatomsmolekyler för att utveckla verktyg för nästa generations precisionsgravitationstester med kvantgaser.

Många fler experiment planeras för detta "coola" nya laboratorium – och ingen vet vart de kommer att leda. "Med CAL, säger Thompson, "Vi går in i det okända."