Матэрыя мае дваістую прыроду; усё існуе і як часціца, і як хваля. Пры тэмпературы, блізкай да абсалютнага нуля, хвалевая прырода атамаў становіцца назіральнай з дапамогай выпраменьвання ў бачным дыяпазоне. Пры такіх звышнізкіх тэмпературах у дыяпазоне нанаКельвінаў атамы аб'ядноўваюцца ў адзінае большае цэлае і пераходзяць у пяты стан, званы кандэнсатам Бозэ-Эйзенштэйна (BEC), які паводзіць сябе як хваля ў вялікім пакеце. Як і ўсе хвалі, атамы ў гэтым стане дэманструюць з'яву інтэрферэнцыі, і інтэрферэнцыйныя карціны атамных хваль можна вывучаць у лабараторыях. Атамныя інтэрферометры, разгорнутыя ва ўмовах мікрагравітацыі космасу, дзейнічаюць як надзвычай дакладны датчык і даюць магчымасць вымяраць самыя слабыя паскарэнні. Лабараторыя халоднага атама памерам з міні-халадзільнік (CAL), якая круціцца вакол Зямлі на борце Міжнароднай касмічнай станцыі (МКС), з'яўляецца навукова-даследчым цэнтрам для вывучэння ультрахалодных квантавых газаў ва ўмовах мікрагравітацыі ў космасе. Некалькі гадоў таму ён быў абноўлены атамным інтэрферометрам. Як вынікае са справаздачы, апублікаванай 13 жніўня 2024 г.), даследчыкі паспяхова правялі эксперыменты з дапамогай дарожніка. Яны маглі вымяраць вібрацыі МКС з дапамогай трохімпульснага інтэрферометра Маха-Цандэра на борце ўстаноўкі CAL. Гэта быў першы раз, калі квантавы датчык быў выкарыстаны ў космасе для выяўлення змяненняў у непасрэдным асяроддзі. Другі эксперымент прадугледжваў выкарыстанне інтэрфераметрыі зруху хваль Рамсі для выяўлення інтэрферэнцыйных карцін за адзін прагон. Заканамернасці можна было назіраць больш за 150 мс вольнага пашырэння. Гэта была самая доўгая дэманстрацыя хвалевай прыроды атамаў у вольным падзенні ў космасе. Даследчая група таксама вымерала аддачу фатонаў лазера Брэгга ў якасці дэманстрацыі першага квантавага датчыка з выкарыстаннем атамнай інтэрфераметрыі ў космасе. Гэтыя падзеі важныя. З'яўляючыся самымі дакладнымі датчыкамі, касмічныя ультрахалодныя атамныя інтэрферометры могуць вымяраць надзвычай слабыя паскарэнні, такім чынам, прапануюць даследчыкам магчымасць даследаваць пытанні (такія як цёмная матэрыя і цёмная энергія, асіметрыя матэрыі-анты-матэрыі, аб'яднанне гравітацыі з іншымі палямі) што агульная тэорыя адноснасці і стандартная мадэль фізікі часціц не могуць растлумачыць і запоўніць прабел у нашым разуменні Сусвету.
Хвалі дэманструюць з'яву інтэрферэнцыі, г.зн. дзве або больш кагерэнтных хваль аб'ядноўваюцца, ствараючы выніковую хвалю, якая можа мець больш высокую або меншую амплітуду ў залежнасці ад фаз аб'ядноўваючых хваль. У выпадку святла мы бачым выніковыя хвалі ў выглядзе цёмных і светлых палос.
Інтэрфераметрыя - гэта метад вымярэння характарыстык з выкарыстаннем з'явы інтэрферэнцыі. Гэта ўключае ў сябе расшчапленне падаючай хвалі на два прамяні, якія рухаюцца рознымі шляхамі, а потым аб'ядноўваюцца, утвараючы выніковую інтэрферэнцыйную карціну або паласы (у выпадку святла). Атрыманая інтэрферэнцыйная карціна адчувальная да змяненняў умоў траекторыі прамянёў, напрыклад, любая змена даўжыні траекторыі прамяня або любога поля ў залежнасці ад даўжыні хвалі ўплывае на інтэрферэнцыйную карціну і можа выкарыстоўвацца для вымярэнняў.
хваля дэ Бройля або хваля матэрыі
Матэрыя мае дваістую прыроду; ён існуе і як часціца, і як хваля. Кожная часціца або аб'ект, які рухаецца, мае хвалевую характарыстыку, зададзеную ўраўненнем дэ Бройля
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
дзе λ — даўжыня хвалі, h — пастаянная Планка, m — маса, v — хуткасць часціцы, p — імпульс, K — пастаянная Больцмана і T — тэмпература ў Кельвінах.
Цеплавая даўжыня хвалі дэ Бройля адваротна прапарцыйная квадратнаму кораню з тэмпературы ў кельвінах, што азначае, што λ будзе больш пры больш нізкай тэмпературы.
Даследаванне ультрахалодных атамных хваль
Для тыповага атама даўжыня хвалі дэ Бройля пры пакаёвай тэмпературы мае парадак ангстрэмаў (10-10 м) г. зн. 0.1 нанаметра (1 нм=10-9 м). Выпраменьванне зададзенай даўжыні хвалі можа раздзяляць дэталі ў тым жа дыяпазоне памераў. Святло не можа раздзяляць дэталі, меншыя за даўжыню хвалі, таму тыповы атам пры пакаёвай тэмпературы немагчыма адлюстраваць з дапамогай бачнага святла з даўжынёй хвалі ў дыяпазоне ад 400 нм да 700 нм. Рэнтгенаўскія прамяні здольныя з-за даўжыні хвалі ў ангстрэмным дыяпазоне, але яго высокая энергія разбурае тыя самыя атамы, за якімі ён павінен назіраць. Такім чынам, рашэнне заключаецца ў зніжэнні тэмпературы атама (да ніжэй за 10-6 кельвіна), так што даўжыні хваль дэ Бройля атамаў павялічваюцца і становяцца параўнальнымі з даўжынямі хваль бачнага святла. Пры звышнізкіх тэмпературах хвалевая прырода атамаў становіцца вымернай і актуальнай для інтэрфераметрыі.
Па меры далейшага зніжэння тэмпературы атамаў у дыяпазоне нанакельвінаў (10-9 кельвіна) у дыяпазоне каля 400 нК, атамныя базоны пераходзяць у матэрыю пятага стану, званую кандэнсатам Бозэ-Эйнштэйна (BCE). Пры такіх звышнізкіх тэмпературах каля абсалютнага нуля, калі цеплавыя перамяшчэнні часціц становяцца надзвычай нязначнымі, атамы аб'ядноўваюцца ў адзінае большае цэлае, якое паводзіць сябе як хваля ў вялікім пакеце. Такі стан атамаў дае даследчыкам магчымасць вывучаць квантавыя сістэмы ў макраскапічным маштабе. Першы атамны BCE быў створаны ў 1995 годзе ў газе з атамаў рубідыя. З тых часоў гэтая вобласць зведала шмат паляпшэнняў у тэхналогіях. The малекулярны БЭК малекул NaCs быў нядаўна створаны пры звышхалоднай тэмпературы 5 нанаКельвінаў (нК).
Умовы мікрагравітацыі ў космасе лепш падыходзяць для квантава-механічных даследаванняў
Гравітацыя ў наземных лабараторыях патрабуе выкарыстання магнітнай пасткі для ўтрымання атамаў на месцы для эфектыўнага астуджэння. Гравітацыя таксама абмяжоўвае час узаемадзеяння з BEC у зямных лабараторыях. Фарміраванне BEC ва ўмовах мікрагравітацыі ў касмічных лабараторыях дазваляе пераадолець гэтыя абмежаванні. Асяроддзе мікрагравітацыі можа павялічыць час узаемадзеяння і паменшыць перашкоды ад прыкладнога поля, тым самым лепш падтрымліваючы квантава-механічныя даследаванні. BCE цяпер звычайна ўтвараюцца ва ўмовах мікрагравітацыі ў космасе.
Лабараторыя халоднага атама (CAL) на Міжнароднай касмічнай станцыі (МКС)
Лабараторыя халоднага атама (CAL) - гэта шматкарыстальніцкі даследчы цэнтр на Міжнароднай касмічнай станцыі (МКС) для вывучэння ультрахалодных квантавых газаў ва ўмовах мікрагравітацыі космасу. CAL кіруецца дыстанцыйна з аперацыйнага цэнтра ў Лабараторыі рэактыўнага руху.
На гэтай касмічнай установе магчымы час назірання больш за 10 секунд і ультрахалодныя тэмпературы ніжэй за 100 пікаКельвінаў (1 пК = 1012- Кельвіна) для вывучэння квантавых з'яў.
Лабараторыя халоднага атама была запушчана 21 мая 2018 г. і ўстаноўлена на МКС у канцы мая 2018 г. Кандэнсат Бозэ-Эйнштэйна (BEC) быў створаны ў гэтай касмічнай устаноўцы ў ліпені 2018 г. Гэта было ўпершыню; на арбіце Зямлі быў створаны пяты стан матэрыі. Пазней аб'ект быў мадэрнізаваны пасля разгортвання ультрахалодных атамных інтэрферометраў.
За апошнія гады CAL дасягнуў многіх этапаў. У 2020 годзе ў космасе былі атрыманы рубідыевыя кандэнсаты Бозэ-Эйнштэйна (БЭК). Таксама было паказана, што асяроддзе мікрагравітацыі спрыяльна для эксперыментаў з халоднымі атамамі.
У мінулым годзе, у 2023 годзе, даследчыкі стварылі BEC з двух відаў 87Rb і 41K and упершыню ў космасе ў лабараторыі халоднага атама прадэманстраваў адначасовую атамную інтэрфераметрыю з двума відамі атамаў. Гэтыя дасягненні былі важныя для квантавых выпрабаванняў універсальнасці свабоднага падзення (UFF) у космасе.
Апошнія дасягненні ў галіне касмічных квантавых тэхналогій
Згодна са справаздачай, апублікаванай 13 жніўня 2024 г.), даследчыкі працавалі 87Атамы Rb у атамным інтэрферометры CAL і паспяхова правялі тры эксперыменты па пошуку шляху. Яны маглі вымяраць вібрацыі МКС з дапамогай трохімпульснага інтэрферометра Маха-Цандэра на борце ўстаноўкі CAL. Гэта быў першы раз, калі квантавы датчык быў выкарыстаны ў космасе для выяўлення змяненняў у непасрэдным асяроддзі. Другі эксперымент прадугледжваў выкарыстанне інтэрфераметрыі зруху хваль Рамсі для выяўлення інтэрферэнцыйных карцін за адзін прагон. Заканамернасці можна было назіраць больш за 150 мс вольнага пашырэння. Гэта была самая доўгая дэманстрацыя хвалевай прыроды атамаў пры вольным падзенні ў космасе. Даследчая група таксама вымерала аддачу фатонаў лазера Брэгга ў якасці дэманстрацыі першага квантавага датчыка з выкарыстаннем атамнай інтэрфераметрыі ў космасе.
Значэнне ультрахалодных атамных інтэрферометраў, разгорнутых у космасе
Атамныя інтэрферометры выкарыстоўваюць квантавую прыроду атамаў і надзвычай адчувальныя да змяненняў паскарэння або палёў, таму іх выкарыстоўваюць як высокадакладныя інструменты. Зямныя атамныя інтэрферометры выкарыстоўваюцца для вывучэння гравітацыі і ў перадавых навігацыйных тэхналогіях.
Касмічныя атамныя інтэрферометры маюць перавагі ўстойлівага мікрагравітацыйнага асяроддзя, якое прапануе ўмовы свабоднага падзення са значна меншым уплывам палёў. Гэта таксама дапамагае кандэнсатам Бозэ-Эйнштэйна (BEC) дасягаць больш нізкіх тэмператур у дыяпазоне пікакельвінаў і існаваць даўжэй. Канчатковым эфектам з'яўляецца павелічэнне часу назірання, а значыць, лепшая магчымасць для вывучэння. Гэта надзяляе інтэрферометры ультрахалодных атамаў, разгорнутыя ў космасе, магчымасцямі высокадакладных вымярэнняў і робіць іх супердатчыкамі.
Ультрахалодныя атамныя інтэрферометры, разгорнутыя ў космасе, могуць выяўляць вельмі тонкія змены гравітацыі, якія сведчаць аб зменах шчыльнасці. Гэта можа дапамагчы ў вывучэнні складу планетных цел і любых змяненняў масы.
Высокадакладнае вымярэнне гравітацыі таксама можа дапамагчы лепш зразумець цёмную матэрыю і цёмную энергію, а таксама ў даследаванні тонкіх сіл, якія знаходзяцца па-за межамі агульнай тэорыі адноснасці і стандартнай мадэлі, якія апісваюць назіраемы Сусвет.
Агульная тэорыя адноснасці і стандартная мадэль - дзве тэорыі, якія апісваюць назіраемы Сусвет. Стандартная мадэль фізікі часціц - гэта ў асноўным квантавая тэорыя поля. Ён апісвае толькі 5% Сусвету, астатнія 95% знаходзяцца ў цёмных формах (цёмная матэрыя і цёмная энергія), якія мы не разумеем. Стандартная мадэль не можа растлумачыць цёмную матэрыю і цёмную энергію. Гэта таксама не можа растлумачыць асіметрыю матэрыі і антыматэрыі. Сапраўды гэтак жа, гравітацыю яшчэ не ўдалося аб'яднаць з іншымі палямі. Рэальнасць Сусвету не цалкам тлумачыцца сучаснымі тэорыямі і мадэлямі. Гіганцкія паскаральнікі і абсерваторыі не ў стане праліць святло на вялікую частку гэтых таямніц прыроды. З'яўляючыся самымі дакладнымі датчыкамі, касмічныя ультрахалодныя атамныя інтэрферометры прапануюць даследчыкам магчымасць даследаваць гэтыя пытанні, каб запоўніць прабел у нашым разуменні Сусвету.
***
Спасылкі:
- Meystre, Pierre 1997. Калі атамы становяцца хвалямі. Даступны па адрасе https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- НАСА. Лабараторыя халоднага атама - Сусветныя місіі. Даступны па адрасе https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Авелін, акруга Калумбія і інш. Назіранне за кандэнсатамі Бозэ-Эйнштэйна ў даследчай лабараторыі на арбіце Зямлі. Nature 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP і інш. Квантавыя газавыя сумесі і інтэрфераметрыя атамаў двух відаў у космасе. Nature 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Уільямс, малодшы, і інш 2024. Pathfinder эксперыментуе з атамнай інтэрфераметрыяй у Cold Atom Lab на борце Міжнароднай касмічнай станцыі. Nat Commun 15, 6414. Апублікавана: 13 жніўня 2024 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Дапрынтная версія https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- NASA ўпершыню дэманструе ў космасе «звышпрахалодны» квантавы датчык. Апублікавана 13 жніўня 2024 г. Даступна па адрасе https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
