Материята има двойна природа; всичко съществува както като частица, така и като вълна. При температура, близка до абсолютната нула, вълновата природа на атомите става видима чрез излъчване във видимия диапазон. При такива ултраниски температури в диапазона нанокелвини, атомите се сливат в едно по-голямо цяло и преминават към пето състояние, наречено кондензат на Бозе Айзенщайн (BEC), което се държи като вълна в голям пакет. Като всички вълни, атомите в това състояние показват феномена на интерференция и интерферентните модели на атомните вълни могат да бъдат изследвани в лаборатории. Атомните интерферометри, разположени в среда на микрогравитация на космоса, действат като изключително прецизен сензор и предоставят възможност за измерване на най-слабите ускорения. Лабораторията за студени атоми (CAL) с размерите на мини хладилник, обикаляща около Земята на борда на Международната космическа станция (МКС), е изследователско съоръжение за изследване на ултрастудени квантови газове в микрогравитационната среда на космоса. Той беше надграден с атомен интерферометър преди няколко години. Съгласно доклада, публикуван на 13 август 2024 г.), изследователите са провели успешно експерименти с пътеводител. Те биха могли да измерват вибрациите на МКС с помощта на триимпулсен интерферометър Mach-Zehnder на борда на съоръжението CAL. Това беше първият път, когато квантов сензор беше използван в космоса за откриване на промени в непосредствената среда. Вторият експеримент включва използването на интерферометрия на срязваща вълна на Рамзи за проявяване на интерферентни модели в един цикъл. Моделите бяха наблюдавани за повече от 150 ms време на свободно разширение. Това беше най-дългата демонстрация на вълновата природа на атомите при свободно падане в космоса. Изследователският екип също така измерва отката на фотоните на Bragg лазер като демонстрация на първия квантов сензор, използващ атомна интерферометрия в космоса. Тези развития са значителни. Като най-прецизните сензори, космическите ултрастудени атомни интерферометри могат да измерват изключително слаби ускорения, като по този начин предлагат възможности на изследователите да изследват въпросите (като тъмна материя и тъмна енергия, асиметрия материя-анти-материя, обединяване на гравитацията с други полета) че Общата теория на относителността и Стандартният модел на физиката на елементарните частици не могат да обяснят и запълнят празнината в нашето разбиране за Вселената.
Вълните показват феномена на интерференция, т.е. две или повече кохерентни вълни се комбинират, за да дадат резултатна вълна, която може да има по-висока или по-ниска амплитуда в зависимост от фазите на комбиниращите се вълни. В случай на светлина виждаме получени вълни под формата на тъмни и светли ивици.
Интерферометрията е метод за измерване на характеристики с помощта на явлението интерференция. Това включва разделяне на падащата вълна на два лъча, които се движат по различни пътища, след което се комбинират, за да образуват резултантен модел на интерференция или ивици (в случай на светлина). Полученият модел на смущения е чувствителен към промените в условията на пътя на движение на лъчите, например, всяка промяна в дължината на пътя на движение или във всяко поле по отношение на дължината на вълната влияе на модела на смущение и може да се използва за измервания.
вълна на де Бройл или вълна на материята
Материята има двойна природа; съществува както като частица, така и като вълна. Всяка движеща се частица или обект има вълнова характеристика, дадена от уравнението на де Бройл
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
където λ е дължината на вълната, h е константата на Планк, m е масата, v е скоростта на частицата, p е импулсът, K е константата на Болцман и T е температурата в Келвин.
Топлинната дължина на вълната на де Бройл е обратно пропорционална на корен квадратен от температурата в келвин, което означава, че λ ще бъде по-голяма при по-ниска температура.
Изследване на ултрастудени атомни вълни
За типичен атом дължината на вълната на де Бройл при стайна температура е от порядъка на ангстрьом (10-10 м) а именно 0.1 нанометър (1 nm=10-9 м). Излъчване с дадена дължина на вълната може да разреши детайли в същия размерен диапазон. Светлината не може да различи детайли, по-малки от нейната дължина на вълната, следователно типичен атом при стайна температура не може да бъде изобразен с помощта на видима светлина, която има дължина на вълната в диапазона от около 400 nm до 700 nm. Рентгеновите лъчи могат да действат поради дължината на вълната в ангстрьом диапазона, но високата им енергия унищожава самите атоми, които трябва да наблюдава. Следователно решението е в намаляването на температурата на атома (до под 10-6 келвин), така че дължините на вълните на де Бройл на атомите се увеличават и стават сравними с дължините на вълните на видимата светлина. При ултраниски температури вълновата природа на атомите става измерима и релевантна за интерферометрията.
Тъй като температурата на атомите се намалява допълнително в диапазона нанокелвин (10-9 келвин) в диапазона до около 400 nK, атомните бозони преминават към материята от пето състояние, наречена кондензат на Бозе-Айнщайн (BCE). При такива свръхниски температури близо до абсолютната нула, когато топлинните движения на частиците стават изключително незначителни, атомите се сливат в едно по-голямо образувание, което се държи като вълна в голям пакет. Това състояние на атомите дава възможност на изследователите да изучават квантовите системи в макроскопичен мащаб. Първият атомен BCE е създаден през 1995 г. в газ от рубидиеви атоми. Оттогава тази област е видяла много подобрения в технологиите. The молекулярен BEC на NaCs молекули наскоро беше създаден при ултрастудена температура от 5 нанокелвина (nK).
Условията на микрогравитация в космоса са по-добри за квантово-механични изследвания
Гравитацията в земните лаборатории изисква използването на магнитен капан за задържане на атомите на място за ефективно охлаждане. Гравитацията също така ограничава времето за взаимодействие с BECs в земните лаборатории. Образуването на BEC в микрогравитационна среда на космически лаборатории преодолява тези ограничения. Микрогравитационната среда може да увеличи времето за взаимодействие и да намали смущенията от приложното поле, като по този начин по-добре поддържа квантово-механичните изследвания. BCE сега се образуват рутинно при условия на микрогравитация в космоса.
Лаборатория за студени атоми (CAL) на Международната космическа станция (ISS)
Cold Atom Laboratory (CAL) е изследователско съоръжение за много потребители, базирано на Международната космическа станция (ISS) за изследване на ултра-студени квантови газове в микрогравитационната среда на космоса. CAL се управлява дистанционно от оперативния център в лабораторията за реактивни двигатели.
В това космическо съоръжение е възможно да има време за наблюдение над 10 секунди и ултраниски температури под 100 пикокелвина (1 pK= 10-12 Келвин) за изследване на квантовите явления.
Лабораторията Cold Atom Lab беше изстреляна на 21 май 2018 г. и беше инсталирана на МКС в края на май 2018 г. Бозе-Айнщайн кондензат (BEC) беше създаден в това космическо съоръжение през юли 2018 г. Това беше първият път; в околоземна орбита е създадено пето състояние на материята. По-късно съоръжението беше модернизирано след внедряването на ултрастудени атомни интерферометри.
CAL постигна много етапи през последните години. През 2020 г. в космоса бяха произведени рубидиеви кондензати на Бозе-Айнщайн (BECs). Беше също така демонстрирано, че микрогравитационната среда е благоприятна за експеримент със студен атом.
Миналата година, през 2023 г., изследователите произведоха двоен вид BEC, образуван от 87Rb и 41K и демонстрира едновременна атомна интерферометрия с два атомни вида за първи път в космоса в съоръжението Cold Atom Laboratory. Тези постижения бяха важни за квантовите тестове на универсалността на свободното падане (UFF) в космоса.
Скорошен напредък в космически базирани квантови технологии
Според доклада, публикуван на 13 август 2024 г.), наетите изследователи 87Rb атоми в атомния интерферометър CAL и успешно проведе три експеримента за намиране на пътя. Те биха могли да измерват вибрациите на МКС с помощта на триимпулсен интерферометър Mach-Zehnder на борда на съоръжението CAL. Това беше първият път, когато квантов сензор беше използван в космоса за откриване на промени в непосредствената среда. Вторият експеримент включва използването на интерферометрия на срязваща вълна на Рамзи за проявяване на интерферентни модели в един цикъл. Моделите бяха наблюдавани за повече от 150 ms време на свободно разширение. Това беше най-дългата демонстрация на вълновата природа на атомите при свободно падане в космоса. Изследователският екип също така измерва отката на фотоните на Bragg лазер като демонстрация на първия квантов сензор, използващ атомна интерферометрия в космоса.
Значение на ултрастудените атомни интерферометри, разположени в космоса
Атомните интерферометри използват квантовата природа на атомите и са изключително чувствителни към промените в ускорението или полетата, поради което имат приложения като високопрецизни инструменти. Базираните на Земята атомни интерферометри се използват за изследване на гравитацията и в модерни навигационни технологии.
Базираните в космоса атомни интерферометри имат предимствата на постоянната микрогравитационна среда, която предлага условия на свободно падане с много по-малко влияние на полета. Той също така помага на кондензатите на Бозе-Айнщайн (BEC) да достигнат по-ниски температури в диапазона на пикокелвин и да съществуват по-дълго. Нетният ефект е удължено време за наблюдение, следователно по-добра възможност за изучаване. Това дава възможност на ултрастудените атомни интерферометри, разположени в космоса, с високопрецизни измервателни възможности и ги прави суперсензори.
Свръхстудените атомни интерферометри, разположени в космоса, могат да открият много фини вариации в гравитацията, което е показателно за вариации в плътностите. Това може да помогне при изучаването на състава на планетарните тела и всякакви промени в масата.
Високопрецизното измерване на гравитацията може също така да помогне за по-доброто разбиране на тъмната материя и тъмната енергия и в изследването на фините сили извън Общата теория на относителността и Стандартния модел, които описват наблюдаемата вселена.
Общата теория на относителността и стандартният модел са двете теории, които описват наблюдаемата вселена. Стандартният модел на физиката на елементарните частици е основно квантовата теория на полето. Той описва само 5% от Вселената, останалите 95% са в тъмни форми (тъмна материя и тъмна енергия), които не разбираме. Стандартният модел не може да обясни тъмната материя и тъмната енергия. Не може да обясни и асиметрията материя-антиматерия. По същия начин гравитацията все още не може да бъде обединена с другите полета. Реалността на Вселената не е напълно обяснена от настоящите теории и модели. Гигантските ускорители и обсерватории не са в състояние да хвърлят светлина върху голяма част от тези мистерии на природата. Като най-прецизните сензори, космическите ултрастудени атомни интерферометри предлагат възможности на изследователите да изследват тези въпроси, за да запълнят празнината в нашето разбиране за Вселената.
***
Литература:
- Meystre, Pierre 1997. Когато атомите станат вълни. Наличен в https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- НАСА. Студена атомна лаборатория – мисии във Вселената. Наличен в https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, et al. Наблюдение на кондензатите на Бозе-Айнщайн в изследователска лаборатория в околоземна орбита. Nature 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Квантови газови смеси и двувидова атомна интерферометрия в космоса. Nature 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Уилямс, JR, и др 2024. Pathfinder експериментира с атомна интерферометрия в Cold Atom Lab на борда на Международната космическа станция. Nat Commun 15, 6414. Публикувано: 13 август 2024 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Предпечатна версия https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- НАСА демонстрира „ултра-готин“ квантов сензор за първи път в космоса. Публикувано на 13 август 2024 г. Достъпно на https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
