Astronaut Christina Koch hälsade nyligen ett varmt välkomnande till en väldigt cool ankomst till den internationella rymdstationen:en ny hårdvara för Cold Atom Lab, en experimentell fysikanläggning som kyler atomer till nästan absoluta noll, eller minus 459 grader Fahrenheit (minus 273 grader Celsius). Det är kallare än någon känd plats i universum.

Cold Atom Lab har varit igång i rymdstationens vetenskapsmodul sedan juli 2018 och drivs på distans från NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien. Fem grupper av forskare på jorden använder Cold Atom Lab för att utföra en mängd olika experiment för att hjälpa till att svara på frågor om hur vår värld fungerar i minsta skala.

Den nya hårdvaran inkluderar ett instrument som kallas en atominterferometer som gör det möjligt för forskare att göra subtila mätningar av gravitationen och undersöka grundläggande teorier om gravitation. Ytterligare utveckling av denna teknologi i rymden kan leda till förbättrade tröghetskraftsensorer, som skulle kunna användas för att designa verktyg för förbättrad rymdfarkostsnavigering, att undersöka sammansättningen och topologin hos planeter och andra himlakroppar, och att studera jordens klimat.

Att kyla atomer till så låga temperaturer saktar ner avsevärt, gör det lättare för forskare att studera dem. (Rumstemperaturatomer rör sig snabbare än ljudets hastighet, medan ultrakalla atomer rör sig långsammare än en trädgårdssnigel.) Ultrakall atomfysik har lett till genombrott som upptäckten av superfluiditet och supraledning, såväl som produktionen av ett femte tillstånd av materia, kallas ett Bose-Einstein-kondensat (BEC). Förutspåddes först på 1920-talet, BEC tillåter forskare att observera kvantbeteenden hos atomer i en makroskopisk skala.

Fysiker har använt ultrakalla atomanläggningar i jordbundna laboratorier i mer än 20 år. Men CAL är den första sådana anläggningen i jordens omloppsbana, där mikrogravitationsmiljön ger forskarna längre observationstider för enskilda atomknippen och kan möjliggöra kallare temperaturer än vad som kan uppnås på marken.

Ultrakalla atomer ger också ett fönster till kvantmekaniken, där partiklar kan bete sig på konstiga sätt, som att spontant passera genom fysiska barriärer eller att kommunicera ögonblickligen över långa avstånd. Studiet av kvantmekanik har lett till utvecklingen av sådana allestädes närvarande teknologier som lasrar, halvledare och transistorer. Genom att ta språnget in i jordens omloppsbana, Cold Atom Lab kan öppna dörren för utvecklingen av kvantteknologier i rymden.