На борту китайської орбітальної станції «Тяньгун» фізики охолодили хмару атомів рубідію до еквівалентної температури 9,7 піколевіна — це приблизно чверть від попереднього рекорду. Про експеримент розповідає видання Interesting Engineering.
Дослідники утримували близько 20 000 атомів рубідію у лазерній пастці на орбіті, а потім звільнили їх і відстежували розширення хмари протягом семи секунд у трьох вимірах. Саме за швидкістю цього розширення вони й оцінили еквівалентну температуру — показник енергії, пов’язаної з рухом атомів.
Бозе-ейнштейнівський конденсат у невагомості
В основі експерименту лежить бозе-ейнштейнівський конденсат — особливий стан речовини, у якому атоми поводяться як єдина квантова хвиля. У мікрогравітації на орбіті таку систему легше створювати та довше утримувати, ніж у лабораторіях на Землі.
Команда спершу охолодила приблизно 20 000 атомів рубідію лазерами, а потім застосувала випарне охолодження: найенергійніші атоми «виходили» з пастки, знижуючи середню енергію тих, що залишилися. У результаті сформувався конденсат усередині оптичної дипольної пастки.
Магнітний градієнт допоміг на початковому етапі охолодження та дав змогу отримати конденсат, менш чутливий до магнітних збурень. Далі хмару перевели у ширшу оптичну пастку та поступово послабили її, зменшуючи енергію, яка штовхала атоми до розширення після звільнення.
Спостерігаючи, як хмара зростає вздовж трьох осей, дослідники розрахували еквівалентну температуру. Оцінка у 9,7 піколевіна супроводжується невизначеністю в діапазоні від 7,0 до 12,9 піколевіна.
Чому експеримент перенесли в космос
На Землі гравітація тягне атоми вниз усередині пастки, і коли її ослаблюють, утримувати хмару стає дедалі важче. Можна частково компенсувати це магнітною «левітацією», але тоді атоми мусять перебувати в одному й тому самому внутрішньому спіновому стані, що обмежує свободу експерименту.
Лазерна оптична пастка дає більше можливостей керувати внутрішніми станами атомів. Раніше дослідникам на Землі вдавалося забезпечити для конденсату лише короткі періоди вільного падіння. Наприклад, наземна башта вільного падіння, де встановлено попередній рекорд у 38 піколевінів, забезпечувала близько двох секунд спостережень за розширенням хмари.
У лабораторії ультрахолодних атомів на Міжнародній космічній станції, яка використовує магнітні пастки та так зване «лінзування матерії», досягали 52 піколевінів із приблизно секундою вільного розширення. Орбітальна установка Китаю забезпечила значно тривалішу мікрогравітацію, ніж наземні установки, що й дало змогу відстежувати хмару протягом семи секунд.
Нові можливості для квантових експериментів
Автори роботи називають бозе-ейнштейнівські конденсати «багатофункціональними платформами для квантового моделювання». В умовах орбіти вони можуть використовувати точно сформовані лазерні поля, щоб вивчати, як руйнується квантовий порядок у газі, обмеженому майже однією вимірністю, або як атоми впорядковуються в хаотичному середовищі.
Пастки зі змінним об’ємом у перспективі дадуть змогу розміщувати в конденсаті більшу кількість атомів, що посилить сигнал у вимірюваннях. Також команда розглядає створення приладу, який розщеплюватиме та знову поєднуватиме атомні хвилі, щоб виявляти дуже малі відмінності в русі.
Подовжений час спостереження у невагомості дає цим відмінностям більше часу для накопичення, роблячи їх помітнішими для вимірювальної апаратури. Дослідники зазначають, що друга ключова ціль — побудова космічного атомного інтерферометра типу Маха–Цендера. Такий інструмент може виконувати високоточні тести фундаментальних принципів фізики, зокрема
В одному зі сценаріїв така установка на орбіті аналізувала б поведінку атомних хвиль, щоб перевіряти, чи справді різні об’єкти падають з однаковою швидкістю в умовах гравітації. Описане дослідження опубліковано в журналі Science.