Один гигантский скачок для квантовой науки

Лаборатория холодного атома НАСА делает один гигантский скачок для квантовой науки.

В новом исследовании рассказывается о том, как в ходе миссии впервые было создано пятое состояние материи на околоземной орбите, а также о преимуществах изучения атомов в космосе.

Холоднее холодного

В этом месяце исполняется 25 лет с тех пор, как ученые впервые создали пятое состояние материи, которое обладает необычайными свойствами, совершенно отличными от твердых тел, жидкостей, газов и плазмы. Это достижение получило Нобелевскую премию и изменило физику.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Новое исследование в журнале "Nature" опирается на это наследие. В июле 2018 года лаборатория холодного атома НАСА стала первой лабораторией, которая произвела на околоземной орбите пятое состояние вещества, названное конденсатом Бозе-Эйнштейна (конденсат БЭК). Лаборатория холодного атома, расположенная на Международной космической станции и работающая в области фундаментальной физики, охлаждает атомы до сверхвысокой температуры, с тем чтобы изучать их основные физические свойства тем путем, который был бы невозможен на Земле. Сейчас команда исследователей сообщает о деталях создания этой уникальной лаборатории, а также об их продвижении к долгосрочной цели - использованию микрогравитации для раскрытия новых возможностей квантового мира.

Знаете ли вы об этом или нет, квантовая наука каждый день затрагивает нашу жизнь. Квантовая механика относится к отрасли физики, которая фокусируется на поведении атомов и субатомных частиц, и является основополагающей частью многих компонентов во многих современных технологиях, включая сотовые телефоны и компьютеры, которые используют волновую природу электронов в кремнии.

Хотя первые квантовые явления наблюдались более века назад, ученые все еще узнают об этом царстве нашей Вселенной.

"Даже начиная с тех пор, когда были созданы первые конденсаты Бозе-Эйнштейна, физики осознали, как работа в космосе может дать большие преимущества в изучении этих квантовых систем", - сказал Дэвид Авелин, член научной группы Лаборатории холодного атома в Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии. "В этом отношении были проведены некоторые целенаправленные демонстрации, но теперь, когда лаборатория холодного атома работает непрерывно, мы показываем, что можно много выиграть, проводя эти длительные эксперименты день за днем на орбите".

Чем холоднее атомы, тем медленнее они двигаются и тем легче их изучать. Ультрахолодные атомные установки, такие как Cold Atom Lab, охлаждают атомы с точностью до доли градуса выше абсолютного нуля, или до температуры, при которой они теоретически перестанут двигаться полностью.

Охлаждение атомов также является единственным способом получения конденсата Бозе-Эйнштейна. Ученые производят БЭК в вакууме, поэтому на Земле атомы тяготеют под действием силы тяжести и быстро падают на дно камеры, как правило, ограничивая время наблюдения менее чем секундой. При невесомости космической станции, БЭК может плавать, совсем не так, как астронавты на борту. Внутри лаборатории холодного атома это означает более длительное время наблюдения.

В отличие от твердых тел, жидкостей, газов и плазмы, БЭК не образуются естественным путем. Они служат ценным инструментом для квантовых физиков, поскольку все атомы в БЭК обладают одинаковой квантовой идентичностью, поэтому они коллективно проявляют свойства, которые обычно проявляются только отдельными атомами или субатомными частицами. Таким образом, БЭК делает эти микроскопические характеристики видимыми на макроскопическом уровне.

В предыдущих экспериментах с ультрахолодными атомами использовались звуковые ракеты или сбрасывалось специально разработанное оборудование с верхней части высоких башен для создания секунд или минут невесомости точно так же, как это делает самолет с нулевой гравитацией. Со своего места на станции Лаборатория холодного атома предоставила ученым тысячи часов времени для проведения экспериментов в условиях микрогравитации. Это позволяет им многократно повторять свои эксперименты и проявлять больше творческого подхода и гибкости в проведении экспериментов.

"С помощью Cold Atom Lab ученые могут видеть свои данные в режиме реального времени и вносить коррективы в свои эксперименты в кратчайшие сроки", - сказал Джейсон Уильямс (Jason Williams), член научной группы Cold Atom Lab в компании JPL. "Такая гибкость означает, что мы можем быстро учиться и решать новые вопросы по мере их возникновения".

Ультрахолодные атомные установки в космосе также должны быть способны достигать более низких температур, чем лаборатории, расположенные на Земле. Один из способов сделать это - просто сделать так, чтобы ультрахолодные атомные облака медленно расширялись, что заставляет их становиться прохладнее и легче обойтись без гравитационного притягивания атомов к земле.

Более длительное время наблюдения и более низкие температуры дают возможность глубже понять поведение атомов и БЭК. На Земле самые низкие температуры и самое длительное время наблюдения были достигнуты только с помощью экспериментов с целыми комнатами, полными специальных аппаратных средств или высоких башен. Лаборатория Cold Atom Lab, размером с посудомоечную машину, еще не установила новых рекордов в этих категориях, но ее основные возможности - это передовые технологии, объединяющие возможности чрезвычайно большой лаборатории в маленькую упаковку. 

"Я действительно думаю, что мы только начали исследовать поверхность того, что можно сделать с помощью экспериментов с ультрахолодными атомами в условиях микрогравитации", - сказал Итан Эллиотт (Ethan Elliott), член научной группы Cold Atom Lab в компании JPL. "Я очень взволнован тем, что сообщество фундаментальной физики сделает с этой способностью в долгосрочной перспективе".

Лаборатория холодного атома успешно работает уже два года, и недавно астронавты помогли модернизировать ее с помощью нового инструмента под названием атомный интерферометр, который использует атомы для точного измерения сил, в том числе гравитации. Недавно группа подтвердила, что новый прибор работает, как и ожидалось, что делает его первым атомным интерферометром, работающим в космосе.

Новое исследование в Nature проводилось под руководством Авелина, Уильямса и Эллиота. Лаборатория холодного атома, спроектированная и построенная в JPL, спонсируется Отделом исследований и прикладных разработок в области космической жизни и физических наук (SLPSRA) Управления НАСА по гуманитарным исследованиям и операциям в штаб-квартире агентства в Вашингтоне и Программой по международным космическим станциям в Космическом центре НАСА имени Джонсона в Хьюстоне. опубликовано econet.ru по материалам scitechdaily.com

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet