Материя имеет двойственную природу; все существует и как частица, и как волна. При температуре, близкой к абсолютному нулю, волновая природа атомов становится наблюдаемой излучением видимого диапазона. При таких ультрахолодных температурах в диапазоне наноКельвина атомы объединяются в одно более крупное целое и переходят в пятое состояние, называемое конденсатом Бозе-Эйзенштейна (БЭК), которое ведет себя как волна в большом пакете. Как и все волны, атомы в этом состоянии проявляют явление интерференции, и интерференционные картины атомных волн можно изучать в лабораториях. Атомные интерферометры, развернутые в условиях микрогравитации космоса, действуют как чрезвычайно точный датчик и дают возможность измерять самые слабые ускорения. Лаборатория холодного атома размером с мини-холодильник (CAL), расположенная на орбите Земли на борту Международной космической станции (МКС), представляет собой исследовательский центр для изучения ультрахолодных квантовых газов в условиях микрогравитации космического пространства. Несколько лет назад он был модернизирован атомным интерферометром. Согласно отчету, опубликованному 13 августа 2024 года, исследователи успешно провели эксперименты по поиску следопытов. Они могли бы измерить вибрации МКС с помощью трехимпульсного интерферометра Маха – Цендера на борту установки CAL. Это был первый случай использования квантового датчика в космосе для обнаружения изменений в ближайшем окружении. Второй эксперимент включал использование интерферометрии поперечных волн Рамсея для выявления интерференционных картин за один проход. Эти закономерности наблюдались в течение времени свободного расширения более 150 мс. Это была самая продолжительная демонстрация волновой природы атомов в свободном падении в космосе. Исследовательская группа также измерила отдачу фотонов брэгговского лазера в качестве демонстрации первого квантового датчика с использованием атомной интерферометрии в космосе. Эти события имеют важное значение. Будучи наиболее точными датчиками, интерферометры ультрахолодных атомов космического базирования могут измерять чрезвычайно слабые ускорения, что дает исследователям возможность исследовать вопросы (такие как темная материя и темная энергия, асимметрия материи-антиматерии, объединение гравитации с другими полями). что Общая теория относительности и Стандартная модель физики элементарных частиц не могут объяснить и заполнить пробел в нашем понимании Вселенной.
Волны проявляют явление интерференции, т. е. две или более когерентных волн объединяются, образуя результирующую волну, которая может иметь более высокую или меньшую амплитуду в зависимости от фаз объединяющихся волн. В случае света мы видим результирующие волны в виде темных и светлых полос.
Интерферометрия — метод измерения характеристик, использующий явление интерференции. Он включает в себя разделение падающей волны на два луча, которые проходят разные пути, а затем объединяются, образуя результирующую интерференционную картину или полосы (в случае света). Результирующая интерференционная картина чувствительна к изменениям условий прохождения лучей, например, любое изменение длины пути прохождения или любого поля по отношению к длине волны влияет на интерференционную картину и может быть использовано для измерений.
Волна де Бройля или волна материи
Материя имеет двойственную природу; он существует и как частица, и как волна. Каждая движущаяся частица или объект имеет волновую характеристику, определяемую уравнением де Бройля.
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
где λ — длина волны, h — постоянная Планка, m — масса, v — скорость частицы, p — импульс, K — постоянная Больцмана, а T — температура в Кельвинах.
Тепловая длина волны де Бройля обратно пропорциональна квадратному корню из температуры в кельвинах, что означает, что λ будет больше при более низкой температуре.
Исследование ультрахолодных атомных волн
Для типичного атома длина волны де Бройля при комнатной температуре имеет порядок ангстрема (10-10 м) т.е. 0.1 нанометра (1 нм=10-9 м). Излучение заданной длины волны может разрешать детали в одном и том же диапазоне размеров. Свет не может разрешить детали, меньшие, чем его длина волны, поэтому типичный атом при комнатной температуре невозможно получить с помощью видимого света, длина волны которого находится в диапазоне примерно от 400 до 700 нм. Рентгеновские лучи могут подойти из-за длины волны в ангстремном диапазоне, но их высокая энергия разрушает те самые атомы, которые они должны наблюдать. Поэтому решение лежит в снижении температуры атома (до уровня ниже 10-6 кельвина), так что длины волн де Бройля атомов увеличиваются и становятся сравнимыми с длинами волн видимого света. При ультрахолодных температурах волновая природа атомов становится измеримой и актуальной для интерферометрии.
По мере дальнейшего снижения температуры атомов в диапазоне нанокельвинов (10-9 Кельвин) в диапазоне примерно до 400 нК, атомные бозоны переходят в пятое состояние материи, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна (BCE). При таких сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю, когда тепловые движения частиц становятся крайне незначительными, атомы объединяются в одно более крупное целое, которое ведет себя как волна в большом пакете. Такое состояние атомов дает исследователям возможность изучать квантовые системы в макроскопическом масштабе. Первый атомный БКЭ был создан в 1995 году в газе атомов рубидия. С тех пор в этой области произошло множество технологических усовершенствований. молекулярный БЭК молекул NaCs был недавно создан при ультрахолодной температуре 5 нанокельвинов (нК).
Условия микрогравитации в космосе лучше подходят для квантово-механических исследований
Гравитация в наземных лабораториях требует использования магнитной ловушки для удержания атомов на месте для эффективного охлаждения. Гравитация также ограничивает время взаимодействия с БЭК в наземных лабораториях. Формирование БЭК в условиях микрогравитации космических лабораторий преодолевает эти ограничения. Среда микрогравитации может увеличить время взаимодействия и уменьшить помехи от приложенного поля, тем самым лучше поддерживая квантово-механические исследования. В настоящее время BCE обычно образуются в условиях микрогравитации в космосе.
Лаборатория холодного атома (CAL) на Международной космической станции (МКС)
Лаборатория холодного атома (CAL) — многопользовательский исследовательский центр на Международной космической станции (МКС) для изучения ультрахолодных квантовых газов в условиях космической микрогравитации. CAL управляется удаленно из операционного центра Лаборатории реактивного движения.
На этом космическом комплексе возможно время наблюдения более 10 секунд и ультрахолодные температуры ниже 100 пикоКельвинов (1 пК = 10-12 Кельвин) для изучения квантовых явлений.
Лаборатория холодного атома была запущена 21 мая 2018 года и установлена на МКС в конце мая 2018 года. В июле 2018 года на этой космической установке был создан бозе-эйнштейновский конденсат (БЭК). Это был первый случай; пятое состояние материи было создано на околоземной орбите. Позже установка была модернизирована после внедрения интерферометров ультрахолодных атомов.
За последние годы CAL добилась многих успехов. Рубидиевые конденсаты Бозе-Эйнштейна (БЭК) были получены в космосе в 2020 году. Также было продемонстрировано, что среда микрогравитации выгодна для экспериментов с холодным атомом.
В прошлом, 2023 году, исследователи создали двухвидовую БЭК, образованную из 87руб и 41К. и впервые продемонстрировал одновременную атомную интерферометрию с двумя видами атомов в космосе в лаборатории холодного атома. Эти достижения были важны для квантовых испытаний универсальности свободного падения (UFF) в космосе.
Последние достижения в области космических квантовых технологий
Согласно отчету, опубликованному 13 августа 2024 г.), исследователи наняли 87Атомы Rb в атомном интерферометре CAL и успешно провели три эксперимента по поиску пути. Они могли бы измерить вибрации МКС с помощью трехимпульсного интерферометра Маха – Цендера на борту установки CAL. Это был первый случай использования квантового датчика в космосе для обнаружения изменений в ближайшем окружении. Второй эксперимент включал использование интерферометрии поперечных волн Рамсея для выявления интерференционных картин за один проход. Эти закономерности наблюдались в течение времени свободного расширения более 150 мс. Это была самая продолжительная демонстрация волновой природы атомов в свободном падении в космосе. Исследовательская группа также измерила отдачу фотонов брэгговского лазера в качестве демонстрации первого квантового датчика с использованием атомной интерферометрии в космосе.
Значение интерферометров ультрахолодных атомов, развернутых в космосе
Атомные интерферометры используют квантовую природу атомов и чрезвычайно чувствительны к изменениям ускорения или полей, поэтому их можно применять в качестве высокоточных инструментов. Наземные атомные интерферометры используются для изучения гравитации и в передовых навигационных технологиях.
Атомные интерферометры космического базирования обладают преимуществами постоянной микрогравитации, которая обеспечивает условия свободного падения с гораздо меньшим влиянием полей. Это также помогает конденсатам Бозе-Эйнштейна (БЭК) достигать более низких температур в диапазоне пикоКельвинов и существовать дольше. Конечным эффектом является увеличение времени наблюдения, а значит и улучшение возможностей для изучения. Это наделяет интерферометры ультрахолодных атомов, развернутые в космосе, высокоточными измерительными возможностями и делает их суперсенсорами.
Интерферометры ультрахолодных атомов, развернутые в космосе, могут обнаруживать очень тонкие изменения гравитации, которые указывают на изменения плотности. Это может помочь в изучении состава планетных тел и любых изменений масс.
Высокоточные измерения гравитации также могут помочь лучше понять темную материю и темную энергию, а также исследовать тонкие силы, выходящие за рамки общей теории относительности и стандартной модели, которые описывают наблюдаемую вселенную.
Общая теория относительности и Стандартная модель — две теории, описывающие наблюдаемую Вселенную. Стандартная модель физики элементарных частиц — это, по сути, квантовая теория поля. Оно описывает лишь 5% Вселенной, остальные 95% находятся в темных формах (темной материи и темной энергии), которые мы не понимаем. Стандартная модель не может объяснить темную материю и темную энергию. Это также не может объяснить асимметрию материи и антивещества. Точно так же гравитация еще не могла быть объединена с другими полями. Реальность Вселенной не полностью объясняется современными теориями и моделями. Гигантские ускорители и обсерватории не способны пролить свет на большую часть этих загадок природы. Будучи наиболее точными датчиками, космические интерферометры ультрахолодных атомов предлагают исследователям возможность изучить эти вопросы, чтобы заполнить пробел в нашем понимании Вселенной.
Ссылки:
- Мейстр, Пьер 1997. Когда атомы становятся волнами. Доступно на https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- НАСА. Лаборатория холодного атома – Миссии ко Вселенной. Доступно на https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Авелин, округ Колумбия, и др. Наблюдение конденсатов Бозе-Эйнштейна в исследовательской лаборатории на околоземной орбите. Природа 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Эллиотт, Е.Р., Авелин, округ Колумбия, Бигелоу, Н.П. и др. Квантовые газовые смеси и интерферометрия двухвидовых атомов в космосе. Природа 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Уильямс, младший, и др. 2024. Эксперименты Pathfinder с атомной интерферометрией в Лаборатории холодного атома на борту Международной космической станции. Nat Commun 15, 6414. Опубликовано: 13 августа 2024 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Препринтная версия https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- НАСА впервые демонстрирует «ультракрутой» квантовый датчик в космосе. Опубликовано 13 августа 2024 г. Доступно по адресу: https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
