Матерія має подвійну природу; все існує і як частинка, і як хвиля. При температурі, близькій до абсолютного нуля, хвильова природа атомів стає помітною за допомогою випромінювання у видимому діапазоні. При таких ультранизких температурах у діапазоні наноКельвінів атоми об’єднуються в одну більшу сутність і переходять у п’ятий стан, званий конденсатом Бозе-Ейзенштейна (BEC), який поводиться як хвиля у великому пакеті. Як і всі хвилі, атоми в цьому стані демонструють явище інтерференції, і інтерференційні картини атомних хвиль можна вивчати в лабораторіях. Атомні інтерферометри, розгорнуті в середовищі мікрогравітації космосу, діють як надзвичайно точні датчики та дають можливість вимірювати найслабші прискорення. Лабораторія холодного атома розміром з міні-холодильник (CAL), що обертається навколо Землі на борту Міжнародної космічної станції (МКС), є дослідницьким центром для вивчення ультрахолодних квантових газів у середовищі мікрогравітації космосу. Кілька років тому він був оновлений атомним інтерферометром. Згідно зі звітом, опублікованим 13 серпня 2024 року), дослідники успішно провели експерименти з пошуком шляху. Вони могли виміряти коливання МКС за допомогою триімпульсного інтерферометра Маха-Цендера на борту установки CAL. Це був перший раз, коли квантовий датчик був використаний у космосі для виявлення змін у безпосередньому оточенні. Другий експеримент передбачав використання інтерферометрії зсувної хвилі Рамсея для виявлення інтерференційних візерунків за один цикл. Патерни можна було спостерігати протягом часу вільного розширення понад 150 мс. Це була найдовша демонстрація хвильової природи атомів під час вільного падіння в космосі. Дослідницька група також виміряла віддачу фотонів лазера Брегга як демонстрацію першого квантового датчика з використанням атомної інтерферометрії в космосі. Ці події значні. Будучи найточнішими сенсорами, космічні ультрахолодні атомні інтерферометри можуть вимірювати надзвичайно слабкі прискорення, отже, надають дослідникам можливість досліджувати питання (такі як темна матерія та темна енергія, асиметрія матерії-антиматерії, об’єднання гравітації з іншими полями) що загальна теорія відносності та стандартна модель фізики елементарних частинок не можуть пояснити та заповнити прогалину в нашому розумінні Всесвіту.
Хвилі демонструють явище інтерференції, тобто дві або більше когерентних хвиль поєднуються, утворюючи результуючу хвилю, яка може мати вищу або меншу амплітуду залежно від фаз об’єднаних хвиль. У разі світла ми бачимо результуючі хвилі у вигляді темних і світлих смуг.
Інтерферометрія — це метод вимірювання характеристик за допомогою явища інтерференції. Він передбачає розщеплення падаючої хвилі на два пучки, які рухаються різними шляхами, а потім об’єднуються, утворюючи результуючу інтерференційну картину або смуги (у випадку світла). Результуюча інтерференційна картина чутлива до змін умов траєкторії проходження променів, наприклад, будь-яка зміна довжини траєкторії проходження або в будь-якому полі по відношенню до довжини хвилі впливає на інтерференційну картину та може бути використана для вимірювань.
хвиля де Бройля або хвиля речовини
Матерія має подвійну природу; воно існує як частинка, так і хвиля. Кожна рухома частинка або об'єкт має хвильову характеристику, задану рівнянням де Бройля
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
де λ — довжина хвилі, h — постійна Планка, m — маса, v — швидкість частинки, p — імпульс, K — постійна Больцмана, а T — температура в Кельвінах.
Теплова довжина хвилі де Бройля обернено пропорційна квадратному кореню з температури в кельвінах, тобто λ буде більшим при нижчій температурі.
Дослідження ультрахолодних атомних хвиль
Для типового атома довжина хвилі де Бройля при кімнатній температурі має порядок ангстремів (10-10 m) а саме 0.1 нанометра (1 нм=10-9 м). Випромінювання заданої довжини хвилі може розрізняти деталі в тому самому діапазоні розмірів. Світло не може розпізнати деталі, менші за його довжину хвилі, тому типовий атом при кімнатній температурі не можна відобразити за допомогою видимого світла з довжиною хвилі в діапазоні приблизно від 400 нм до 700 нм. Рентгенівське випромінювання може бути ефективним завдяки своїй довжині хвилі в ангстремному діапазоні, але його висока енергія руйнує саме ті атоми, які воно має спостерігати. Отже, вихід полягає в зниженні температури атома (до нижче 10-6 кельвіна), так що довжини хвиль де Бройля атомів збільшуються і стають порівнянними з довжинами хвиль видимого світла. При ультранизьких температурах хвильова природа атомів стає вимірюваною та актуальною для інтерферометрії.
Оскільки температура атомів далі знижується в діапазоні нанокельвінів (10-9 кельвіна) в діапазоні приблизно до 400 нК, атомні бозони переходять у матерію п’ятого стану, що називається конденсатом Бозе-Ейнштейна (BCE). При таких наднизьких температурах поблизу абсолютного нуля, коли теплові рухи частинок стають вкрай незначними, атоми об’єднуються в одну більшу сутність, яка поводиться як хвиля у великому пакеті. Цей стан атомів дає дослідникам можливість вивчати квантові системи в макроскопічному масштабі. Перший атомний BCE був створений у 1995 році в газі атомів рубідію. Відтоді ця сфера зазнала багатьох удосконалень у технологіях. The молекулярний БЕК молекул NaCs нещодавно було створено при ультрахолодній температурі 5 наноКельвінів (нК).
Умови мікрогравітації в космосі кращі для квантово-механічних досліджень
Сила тяжіння в земних лабораторіях вимагає використання магнітної пастки для утримання атомів на місці для ефективного охолодження. Гравітація також обмежує час взаємодії з BEC в земних лабораторіях. Формування BEC в середовищі мікрогравітації космічних лабораторій долає ці обмеження. Середовище мікрогравітації може збільшити час взаємодії та зменшити збурення від прикладного поля, тим самим краще підтримуючи квантово-механічні дослідження. BCE зараз регулярно утворюються в умовах мікрогравітації в космосі.
Лабораторія холодного атома (CAL) на Міжнародній космічній станції (МКС)
Лабораторія холодного атома (CAL) — це багатокористувацька дослідницька установа на Міжнародній космічній станції (МКС) для вивчення ультрахолодних квантових газів у середовищі мікрогравітації космосу. CAL управляється дистанційно з операційного центру в Лабораторії реактивного руху.
На цій космічній установці можна мати час спостереження понад 10 секунд і ультрахолодні температури нижче 100 пікокельвінів (1 pK= 10-12 Кельвіна) для вивчення квантових явищ.
Лабораторію холодного атома було запущено 21 травня 2018 року та встановлено на МКС наприкінці травня 2018 року. Конденсат Бозе-Ейнштейна (BEC) був створений у цій космічній установці в липні 2018 року. Це було вперше; на орбіті Землі був створений п'ятий стан речовини. Пізніше установку було модернізовано після розгортання ультрахолодних атомних інтерферометрів.
За останні роки CAL досяг багатьох віх. Рубідієві бозе-ейнштейнівські конденсати (BECs) були отримані в космосі в 2020 році. Було також продемонстровано, що середовище мікрогравітації є вигідним для експериментів з холодними атомами.
Торік, у 2023 році, дослідники виготовили двовидовий BEC, утворений з 87Rb і 41K і вперше в космосі в Лабораторії холодного атома продемонстрували одночасну атомну інтерферометрію з двома видами атомів. Ці досягнення були важливі для квантових тестів універсальності вільного падіння (UFF) у космосі.
Останні досягнення в космічних квантових технологіях
Згідно зі звітом, опублікованим 13 серпня 2024 року), працювали дослідники 87Атоми Rb в атомному інтерферометрі CAL і успішно провели три експерименти з пошуку шляху. Вони могли виміряти коливання МКС за допомогою триімпульсного інтерферометра Маха-Цендера на борту установки CAL. Це був перший раз, коли квантовий датчик був використаний у космосі для виявлення змін у безпосередньому оточенні. Другий експеримент передбачав використання інтерферометрії зсувної хвилі Рамсея для виявлення інтерференційних візерунків за один цикл. Патерни можна було спостерігати протягом часу вільного розширення понад 150 мс. Це була найдовша демонстрація хвильової природи атомів під час вільного падіння в космосі. Дослідницька група також виміряла віддачу фотонів лазера Брегга як демонстрацію першого квантового датчика з використанням атомної інтерферометрії в космосі.
Значення ультрахолодних атомних інтерферометрів, що розгортаються в космосі
Атомні інтерферометри використовують квантову природу атомів і надзвичайно чутливі до змін у прискоренні або полях, отже, застосовуються як високоточні інструменти. Земні атомні інтерферометри використовуються для вивчення гравітації та в передових навігаційних технологіях.
Космічні атомні інтерферометри мають переваги постійного середовища мікрогравітації, яке пропонує умови вільного падіння з набагато меншим впливом полів. Це також допомагає конденсатам Бозе-Ейнштейна (БЕК) досягати більш низьких температур у діапазоні пікокельвінів і існувати довше. Чистим ефектом є подовження часу спостереження, отже, кращі можливості для навчання. Це наділяє ультрахолодні атомні інтерферометри, розгорнуті в космосі, високоточними вимірювальними можливостями та робить їх суперсенсорами.
Ультрахолодні атомні інтерферометри, розміщені в космосі, можуть виявляти дуже тонкі варіації гравітації, що вказує на варіації щільності. Це може допомогти у вивченні складу планетних тіл і будь-яких змін маси.
Високоточне вимірювання гравітації також може допомогти краще зрозуміти темну матерію та темну енергію, а також у дослідженні тонких сил за межами загальної теорії відносності та стандартної моделі, які описують спостережуваний Всесвіт.
Загальна теорія відносності та стандартна модель є двома теоріями, які описують спостережуваний Всесвіт. Стандартною моделлю фізики елементарних частинок є квантова теорія поля. Він описує лише 5% Всесвіту, решта 95% знаходяться в темних формах (темна матерія та темна енергія), які ми не розуміємо. Стандартна модель не може пояснити темну матерію та темну енергію. Це також не може пояснити асиметрію матерія-антиматерія. Подібним чином гравітація ще не може бути уніфікована з іншими полями. Сучасні теорії та моделі не повністю пояснюють реальність Всесвіту. Гігантські прискорювачі та обсерваторії не в змозі пролити світло на більшу частину цих таємниць природи. Будучи найточнішими датчиками, інтерферометри ультрахолодних атомів космічного базування пропонують дослідникам можливість досліджувати ці питання, щоб заповнити прогалину в нашому розумінні Всесвіту.
***
Список використаної літератури:
- Meystre, Pierre 1997. Коли атоми стають хвилями. Доступний на https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- НАСА. Лабораторія холодного атома – Всесвітні місії. Доступний на https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, та ін. Спостереження конденсатів Бозе-Ейнштейна в дослідницькій лабораторії на орбіті Землі. Nature 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Елліотт, ЕР, Авелін, округ Колумбія, Бігелоу, Н.П. та ін. Квантові газові суміші та інтерферометрія подвійних атомів у космосі. Nature 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Вільямс, молодший, та ін 2024. Pathfinder експериментує з атомною інтерферометрією в Cold Atom Lab на борту Міжнародної космічної станції. Nat Commun 15, 6414. Опубліковано: 13 серпня 2024 р. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Препринтна версія https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- NASA вперше в космосі демонструє «ультрахолодний» квантовий датчик. Опубліковано 13 серпня 2024 р. Доступно за адресою https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
