На борту китайської космічної станції «Тяньгун» фізикам вдалося охолодити хмару атомів до енергій, еквівалентних одиницям пікоКельвіна, встановивши новий рекорд найнижчої досягнутої температури. За оцінками команди, хмара рубідію розширювалася так, ніби її температура становила лише від 7,0 до 12,9 пікоКельвіна, що приблизно вчетверо нижче за попередній рекорд у 38 пікоКельвінів.
Про експеримент розповідає видання New Atlas, яке описує, як дослідники використали унікальні умови невагомості для тривалого спостереження за надхолодною хмарою атомів.
Гонка до абсолютного нуля і Bose–Einstein конденсат
Прагнення наблизитися до абсолютного нуля — теоретичної нижньої межі температури — вже десятиліттями змінює фізику. У 1995 році команда з Національного інституту стандартів і технологій США та Університету Колорадо в Боулдері охолодила рубідій до близько 20 нанокельвінів. Це дозволило отримати новий стан речовини — конденсат Бозе–Ейнштейна, коли багато атомів займають один і той самий квантовий стан і поводяться як єдина «хвиля матерії».
Такий конденсат дав змогу вивчати квантові ефекти, які зазвичай проявляються лише на рівні окремих частинок, але вже у масштабніших системах. Сьогодні це стандартний інструмент у фізиці, однак пошук шляхів подальшого охолодження та тонкішого керування такою речовиною триває.
Від магнітних пасток до вільного падіння
У 2003 році команда під керівництвом MIT охолодила атоми натрію до близько 450 пікоКельвінів, використовуючи магнітну пастку. Її послаблювали, дозволяючи найенергійнішим атомам «утекти» і забрати з собою тепло. Цей підхід ефективно знижує середню температуру газу, але водночас сильно впливає на спін — внутрішню квантову властивість атомів.
Щоб зменшити цей вплив і дістатися ще нижчих температур, фізики шукали способи утримувати атоми менш «жорстко». У 2021 році команда в Німеччині використала вільне падіння, щоб компенсувати гравітацію, і досягла ефективної температури лише 38 пікоКельвінів. У вежі вільного падіння в Бремені атоми рубідію ставали «невагомими» достатньо довго, аби магнітна лінза змусила хмару розширюватися та охолоджуватися.
Перевага орбіти: оптична пастка і новий рекорд
Орбіта дає ще більше часу у режимі вільного падіння, ніж будь-яка наземна вежа. У новому експерименті на «Тяньгун» дослідники утримували близько 20 000 атомів рубідію в оптичній дипольній пастці — своєрідній «клітці» з перехресних лазерних променів. На відміну від магнітних пасток, така система фіксує атоми в магнітно нечутливому стані.
Поєднанням лазерного гальмування швидких атомів і випаровувального охолодження команда спочатку створила конденсат Бозе–Ейнштейна. Це був не перший подібний конденсат на орбіті (першість належить експерименту на Міжнародній космічній станції у 2020 році), але подальші кроки виявилися справді унікальними.
Дослідники задали слабкий градієнт магнітного поля, щоб «виштовхати» найшвидші атоми з хмари. Потім повільніші атоми перенесли у другу, ширшу оптичну пастку й поступово послабили її, розслабляючи утримання, а згодом повністю відпустили хмару.
На поверхні Землі гравітація швидко б потягнула атоми вниз, обмежуючи ступінь, до якого можна послабити пастку. У невагомості на орбіті обмеження вдалося зменшити значно сильніше. Знімки з двох напрямків показали, як швидко хмара розповзається вздовж трьох осей простору, і з цих даних оцінили температуру в діапазоні від 7,0 до 12,9 пікоКельвінів.
Автори наголошують, що йдеться саме про оцінку, розраховану за енергією розширення хмари, а не про вимір класичним «термометром». Попри це, результат суттєво зсуває межі досяжних у лабораторії (і на орбіті) температур.
Навіщо фізикам настільки холодна речовина
Надзвично повільне розширення хмари атомів має практичне значення. Чим повільніше вона росте, тим довше її можна спостерігати, перш ніж вона стане надто розрідженою для корисних вимірювань. У цьому експерименті дослідники отримали близько семи секунд для детального вивчення квантової поведінки системи.
Такі умови особливо цінні для інтерферометрів матерії — приладів, які розщеплюють і знову з’єднують хвилі матерії, щоб виявити мікроскопічні відмінності в пройдених шляхах. Подібні установки можуть, зокрема, перевіряти, чи справді різні атоми падають однаково, відкриваючи нові можливості для тестування загальної теорії відносності.
Крім того, ретельно налаштовані лазерні поля можуть перетворити таку платформу на своєрідний симулятор екзотичних квантових станів. Хоча досягнення абсолютного нуля залишається математично неможливим, новий метод показує, як наближення до цієї межі дозволяє «зупинити» матерії майже до повного спокою та витягти з цього нову фізику.
Робота описана в журналі Science і, за даними New Atlas, базується на повідомленні порталу Phys.org.