Тепер ми змогли дослідити хмару п’ятого стану речовини в космосі

Комп'ютерна модель конденсату Бозе-Ейнштейна. (NASA/NIST)

У липні 2018 р. NASA оголосило неймовірне досягнення. Вони створили найхолодніше місце в космосі - прямо там, на Міжнародній космічній станції, на орбіті навколо Землі.

Вони взяли атоми м’якого металу під назвою рубідій і охолодили їх до температури близько 100 наноКельвінів — однієї десятимільйонної Кельвіна вище абсолютного нуля.

Це призвело до появи надхолодної хмари під назвою a Бозе-ейнштейнівський конденсат , екзотичний 'п'ятий' стан речовини і такий, який може допомогти нам зрозуміти дивні квантові властивості ультрахолодних атомів. Але на цьому дослідження не зупинилися.



Використовуючи лабораторію холодного атома Jet Propulsion Laboratory, вчені продовжили виробництво Бозе-ейнштейнівські конденсати менше ніж наноКельвін вище абсолютного нуля - використовуючи умови мікрогравітації на борту космічної станції, щоб дізнатися про цей стан більше, ніж ми могли б на Землі.

Конденсати Бозе-Ейнштейна досить дивні. Вони утворюються з бозони охолоджується лише на частку вище абсолютного нуля (але не досягаючи абсолютного нуля, тоді атоми перестають рухатися ). Це змушує їх опускатися до свого найнижчого енергетичного стану, рухатися надзвичайно повільно та зближуватися досить близько, щоб перекриватися, утворюючи хмару високої щільності атомів, яка діє як один «суператом» або хвиля матерії.

Оскільки квантову механіку, в якій кожну частинку можна описати як хвилю, легше спостерігати в атомному масштабі, конденсати Бозе-Ейнштейна дозволяють вченим вивчати квантову поведінку в набагато більшому масштабі, замість того, щоб намагатися вивчати окремі атоми.

Конденсати Бозе-Ейнштейна можна створити тут, на Землі, використовуючи комбінацію лазерного охолодження, магнітних полів і випарного охолодження. Ця остання техніка є останнім кроком: атоми утримуються в магнітній пастці, а радіочастотне випромінювання використовується для «випаровування» найбільш енергійних частинок, залишаючи холодні мляві частинки для утворення конденсату.

Коли це відбувається, пастка вимикається, і вчені можуть проводити експерименти. Але вони повинні діяти швидко - природна сила відштовхування між атомами змусить хмару розширюватися та розсіюватися. Гравітація означає, що цей процес відбувається досить швидко - всього кілька десятків мілісекунд.

Проте, нейтралізуючи вплив сили тяжіння під час вільного падіння, ви можете створити конденсат Бозе-Ейнштейна, який може тривати більше секунди.

Крім того, зменшений вплив сили тяжіння означає, що конденсат може утворюватися в дрібнішому посуді. Це забезпечило дослідникам краще вікно для спостереження за хмарою як до, так і ненадовго після її випуску.

Саме цього досягли дослідники з Лабораторією холодного атома, але коли вони досліджували конденсати, які вони виробляли, вони виявили ефекти, які не можуть виникнути в умовах гравітації Землі.

«Ми виявили, що охолодження через випаровування, викликане радіочастотами, дає помітно інші результати в умовах мікрогравітації», вони пишуть у своїй газеті .

«Ми спостерігаємо збільшення числа атомів на орбіті майже в три рази. Застосовуючи різноманітні градієнти магнітного поля, ми підтверджуємо, що приблизно половина атомів знаходиться в магнітно-нечутливому стані |2, 0⟩, утворюючи галоподібну хмару навколо місця розташування магнітної пастки.'

На Землі сила тяжіння є домінуючою силою, що діє на ці атоми, усуваючи їх із пастки.

У космосі, маючи можливість ближче розглянути конденсат, ми виявили ореол з пухких атомів рубідію, що витав навколо країв хмари. Завдяки способу охолодження матеріалу ці атоми майже не звертали уваги на магнітну пастку.

Гравітація зазвичай відтягувала їх убік, принаймні на Землі. Але у вільному падінні вони висіли, забезпечуючи потенційно корисний ультрахолодний ресурс для майбутніх досліджень.

Можливість виробництва більш холодних і довготривалих конденсатів Бозе-Ейнштейна також означає, що ми можемо почати думати про інші способи їх вивчення. Наприклад, форми пасток, неможливі на Землі, можуть бути створені, щоб побачити, чи можна спостерігати різні квантові поведінки.

Хвильові властивості конденсатів Бозе-Ейнштейна також потенційно корисні для атомні інтерферометри , який можна використовувати для вимірювання фундаментальних фізичних констант.

«Ми використали базові можливості CAL на низькій навколоземній орбіті, щоб продемонструвати безпосередні та фундаментальні переваги мікрогравітації для експериментів з ультрахолодними атомами… Ці експерименти є початком потенційно багаторічних наукових операцій із додатковими можливостями приладу, які будуть використовуватися з часом, ' пишуть дослідники у своїй статті .

«Майбутні модульні оновлення інструменту CAL доступні для розширених місійних досліджень, включаючи науковий модуль, створений JPL, що містить атомно-хвильовий інтерферометр. Крім того, корисне навантаження для наступних місій знаходиться на стадії пропозиції та розробки, що забезпечує постійну присутність і застосування ультрахолодних атомів на орбіті.

Дослідження опубліковано в природа .

Про Нас

Публікація Незалежних, Перевірених Фактів Звітів Про Здоров'Я, Космос, Природу, Технології Та Навколишнє Середовище.