Materija turi dvejopą prigimtį; viskas egzistuoja ir kaip dalelė, ir kaip banga. Esant absoliučiam nuliui artimai temperatūrai, atomų banginis pobūdis tampa stebimas spinduliuojant matomame diapazone. Esant tokiai itin žemai temperatūrai nanoKelvino diapazone, atomai susilieja į vieną didesnį subjektą ir pereina į penktąją būseną, vadinamą Bose Eisenstein kondensatu (BEC), kuris elgiasi kaip banga dideliame pakete. Kaip ir visos bangos, šios būsenos atomai rodo trukdžių reiškinį, o atomų bangų interferencijos modelius galima tirti laboratorijose. Atominiai interferometrai, naudojami erdvės mikrogravitacinėje aplinkoje, veikia kaip itin tikslus jutiklis ir suteikia galimybę išmatuoti silpniausius pagreičius. Mažoji šaldytuvo dydžio Šaltojo atomo laboratorija (CAL), skriejanti aplink Žemę Tarptautinėje kosminėje stotyje (TKS), yra tyrimų įstaiga, skirta itin šaltoms kvantinėms dujoms tirti kosmoso mikrogravitacinėje aplinkoje. Prieš keletą metų jis buvo atnaujintas naudojant Atom Interferometer. Kaip teigiama 13 m. rugpjūčio 2024 d. paskelbtoje ataskaitoje, mokslininkai sėkmingai atliko kelių paieškos eksperimentus. Jie galėjo išmatuoti ISS vibracijas naudodami trijų impulsų Mach-Zehnder interferometrą, esantį CAL įrenginyje. Tai buvo pirmas kartas, kai kvantinis jutiklis buvo panaudotas erdvėje, siekiant aptikti pokyčius artimiausioje aplinkoje. Antrasis eksperimentas apėmė Ramsey šlyties bangos interferometrijos naudojimą, kad būtų galima parodyti trukdžių modelius per vieną paleidimą. Modeliai buvo stebimi daugiau nei 150 ms laisvo plėtimosi laiką. Tai buvo ilgiausias laisvo kritimo erdvėje atomų banginės prigimties demonstravimas. Mokslininkų komanda taip pat išmatavo Bragg lazerio fotonų atatranką kaip pirmojo kvantinio jutiklio, naudojant atomo interferometriją erdvėje, demonstravimą. Šie pokyčiai yra reikšmingi. Kaip tiksliausi jutikliai, kosminiai ultrašalto atomo interferometrai gali išmatuoti itin silpnus pagreičius, todėl tyrėjams suteikiama galimybė tyrinėti klausimus (tokius kaip tamsioji medžiaga ir tamsioji energija, materijos ir antimaterijos asimetrija, gravitacijos suvienijimas su kitais laukais). kad Bendrasis reliatyvumas ir standartinis dalelių fizikos modelis negali paaiškinti ir užpildyti spragų mūsų supratime apie visatą.
Bangos rodo interferencijos reiškinį, ty dvi ar daugiau koherentinių bangų susijungia ir sukuria rezultuojančią bangą, kurios amplitudė gali būti didesnė arba mažesnė, priklausomai nuo besijungiančių bangų fazių. Šviesos atveju matome gaunamas bangas tamsių ir šviesių kraštų pavidalu.
Interferometrija yra charakteristikų matavimo metodas, naudojant trukdžių reiškinį. Tai apima krintančios bangos padalijimą į du pluoštus, kurie sklinda skirtingais keliais, tada susijungia į gautą trukdžių modelį arba pakraščius (šviesos atveju). Gautas trukdžių modelis yra jautrus pluoštų judėjimo trajektorijų sąlygų pokyčiams, pavyzdžiui, bet koks judėjimo kelio ilgio arba bet kurio lauko pokytis, susijęs su bangos ilgiu, turi įtakos trukdžių modeliui ir gali būti naudojamas matavimams.
de Broglie banga arba materijos banga
Materija turi dvejopą prigimtį; ji egzistuoja ir kaip dalelė, ir kaip banga. Kiekviena judanti dalelė ar objektas turi bangos charakteristikas, kurią suteikia de Broglie lygtis
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
kur λ – bangos ilgis, h – Planko konstanta, m – masė, v – dalelės greitis, p – impulsas, K – Boltzmanno konstanta, o T – temperatūra Kelvinais.
Terminis de Broglie bangos ilgis yra atvirkščiai proporcingas temperatūros kvadratinei šakniai kelvinais, o tai reiškia, kad λ bus didesnis esant žemesnei temperatūrai.
Itin šalto atomo bangų tyrimas
Tipiško atomo de Broglie bangos ilgis kambario temperatūroje yra angstremo (10-10 m) t. 0.1 nanometro (1 nm = 10-9 m). Tam tikro bangos ilgio spinduliuotė gali išspręsti detales to paties dydžio diapazone. Šviesa negali išskirti detalių, mažesnių už jos bangos ilgį, todėl tipinis atomas kambario temperatūroje negali būti vaizduojamas naudojant matomą šviesą, kurios bangos ilgis yra maždaug 400–700 nm. Rentgeno spinduliai gali būti atliekami dėl angstrominio diapazono bangos ilgio, tačiau didelė energija sunaikina tuos atomus, kuriuos turėtų stebėti. Todėl sprendimas yra sumažinti atomo temperatūrą (iki 10-6 kelvinas), kad atomų de Broglie bangos ilgiai padidėtų ir taptų palyginami su matomos šviesos bangos ilgiais. Esant itin šaltai temperatūrai, atomų banginis pobūdis tampa išmatuojamas ir svarbus interferometrijai.
Kadangi atomų temperatūra toliau mažėja nanokelvino diapazone (10-9 kelvinas) svyruoja iki maždaug 400 nK, atominiai bozonai pereina į penktosios būsenos materiją, vadinamą Bozės-Einšteino kondensatu (BCE). Esant tokioms itin žemoms temperatūroms, artimoms absoliučiam nuliui, kai dalelių šiluminiai judėjimai tampa itin nereikšmingi, atomai susijungia į vieną didesnį darinį, kuris elgiasi kaip banga dideliame pakete. Ši atomų būsena suteikia tyrėjams galimybę tirti kvantines sistemas makroskopiniu mastu. Pirmasis atominis BCE buvo sukurtas 1995 m. rubidžio atomų dujose. Nuo to laiko šioje srityje buvo pastebėta daug technologijų patobulinimų. The molekulinis BEC NaCs molekulių neseniai buvo sukurta esant itin šaltai 5 nanoKelvinų (nK) temperatūrai.
Mikrogravitacijos sąlygos erdvėje yra geresnės kvantiniams mechaniniams tyrimams
Dėl gravitacijos žemėje esančiose laboratorijose reikia naudoti magnetinius spąstus, kad atomai būtų laikomi vietoje, kad būtų veiksmingai aušinamas. Gravitacija taip pat riboja sąveikos su BEC laiką antžeminėse laboratorijose. BEC formavimas kosmose esančių laboratorijų mikrogravitacinėje aplinkoje įveikia šiuos apribojimus. Mikrogravitacinė aplinka gali padidinti sąveikos laiką ir sumažinti taikomo lauko trikdžius, taip geriau remdama kvantinius mechaninius tyrimus. BCE dabar paprastai susidaro mikrogravitacijos sąlygomis erdvėje.
Šaltojo atomo laboratorija (CAL) Tarptautinėje kosminėje stotyje (TKS)
Šaltojo atomo laboratorija (CAL) yra Tarptautinėje kosminėje stotyje (TKS) esanti kelių vartotojų tyrimų įstaiga, skirta itin šaltoms kvantinėms dujoms tirti kosmoso mikrogravitacinėje aplinkoje. KPL valdoma nuotoliniu būdu iš Reaktyvinio varymo laboratorijos operacijų centro.
Šiame kosminiame objekte stebėjimo laikas gali būti ilgesnis nei 10 sekundžių, o itin šalta temperatūra yra žemesnė nei 100 pikokelvinų (1 pK = 10-12 Kelvinas) kvantiniams reiškiniams tirti.
„Cold Atom Lab“ buvo paleista 21 m. gegužės 2018 d., o TKS buvo įdiegta 2018 m. gegužės pabaigoje. 2018 m. liepos mėn. šiame kosminiame objekte buvo sukurtas Bose-Einstein kondensatas (BEC). Tai buvo pirmas kartas; Žemės orbitoje buvo sukurta penktoji materijos būsena. Vėliau įrenginys buvo atnaujintas, įdiegus ultrašalto atomo interferometrus.
Pastaraisiais metais CAL pasiekė daug etapų. Rubidium Bose-Einstein kondensatai (BEC) buvo pagaminti kosmose 2020 m. Taip pat buvo įrodyta, kad mikrogravitacinė aplinka yra naudinga šaltojo atomo eksperimentui.
Praėjusiais metais, 2023 m., Tyrėjai pagamino dviejų rūšių BEC, suformuotą iš 87Rb ir 41K ir pirmą kartą pademonstravo vienalaikę atomų interferometriją su dviem atomų rūšimis Šaltojo atomo laboratorijoje. Šie pasiekimai buvo svarbūs atliekant kvantinius laisvojo kritimo universalumo (UFF) kosmose testus.
Naujausia kosmoso kvantinių technologijų pažanga
Kaip teigiama 13 m. rugpjūčio 2024 d. paskelbtoje ataskaitoje, tyrėjai dirbo 87Rb atomai CAL atomo interferometre ir sėkmingai atliko tris kelio nustatymo eksperimentus. Jie galėjo išmatuoti ISS vibracijas naudodami trijų impulsų Mach-Zehnder interferometrą, esantį CAL įrenginyje. Tai buvo pirmas kartas, kai kvantinis jutiklis buvo panaudotas erdvėje, siekiant aptikti pokyčius artimiausioje aplinkoje. Antrasis eksperimentas buvo susijęs su Ramsey šlyties bangos interferometrijos naudojimu, kad būtų galima parodyti trukdžių modelius vienu bandymu. Modeliai buvo stebimi daugiau nei 150 ms laisvo plėtimosi laiką. Tai buvo ilgiausias laisvo kritimo erdvėje atomų banginės prigimties demonstravimas. Mokslininkų komanda taip pat išmatavo Bragg lazerio fotonų atatranką kaip pirmojo kvantinio jutiklio, naudojant atomo interferometriją erdvėje, demonstravimą.
Ultrašalto atomo interferometrų, dislokuotų kosmose, reikšmė
Atominiai interferometrai išnaudoja kvantinę atomų prigimtį ir yra ypač jautrūs pagreičio ar laukų pokyčiams, todėl jie naudojami kaip didelio tikslumo įrankiai. Žemėje esantys atominiai interferometrai naudojami gravitacijos tyrimui ir pažangioms navigacijos technologijoms.
Erdvėje esantys atominiai interferometrai turi patvarios mikrogravitacijos aplinkos, kuri siūlo laisvo kritimo sąlygas ir daug mažesnę laukų įtaką, pranašumus. Tai taip pat padeda Bose-Einstein kondensatams (BEC) pasiekti žemesnę picoKelvin diapazono temperatūrą ir egzistuoti ilgiau. Grynasis poveikis yra ilgesnis stebėjimo laikas, todėl geresnė galimybė mokytis. Tai suteikia kosmose dislokuotiems ultrašalto atomo interferometrams didelio tikslumo matavimo galimybes ir paverčia juos super jutikliais.
Ultrašalto atomo interferometrai, naudojami erdvėje, gali aptikti labai subtilius gravitacijos pokyčius, kurie rodo tankio pokyčius. Tai gali padėti tirti planetų kūnų sudėtį ir bet kokius masės pokyčius.
Didelio tikslumo gravitacijos matavimas taip pat gali padėti geriau suprasti tamsiąją materiją ir tamsiąją energiją bei tyrinėti subtilias jėgas už bendrosios reliatyvumo teorijos ir standartinio modelio, apibūdinančio stebimą visatą.
Bendrasis reliatyvumas ir standartinis modelis yra dvi teorijos, apibūdinančios stebimą visatą. Standartinis dalelių fizikos modelis iš esmės yra kvantinio lauko teorija. Jis apibūdina tik 5% visatos, likusieji 95% yra tamsiose formose (tamsiosios medžiagos ir tamsiosios energijos), kurių mes nesuprantame. Standartinis modelis negali paaiškinti tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos. Tai taip pat negali paaiškinti materijos ir antimaterijos asimetrijos. Panašiai gravitacija dar negalėjo būti sujungta su kitais laukais. Visatos tikrovė nėra iki galo paaiškinta dabartinėmis teorijomis ir modeliais. Milžiniški greitintuvai ir observatorijos negali atskleisti daugelio šių gamtos paslapčių. Kaip tiksliausi jutikliai, kosminiai ultrašalto atomo interferometrai suteikia tyrėjams galimybę ištirti šiuos klausimus, kad užpildytų mūsų supratimo apie visatą spragą.
***
Nuorodos:
- Meystre, Pierre 1997. Kai atomai tampa bangomis. Galimas adresu https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Šaltojo atomo laboratorija – Visatos misijos. Galimas adresu https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC ir kt. Bose-Einstein kondensatų stebėjimas aplink Žemę skriejančioje tyrimų laboratorijoje. Nature 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP ir kt. Kvantinių dujų mišiniai ir dviejų rūšių atomų interferometrija erdvėje. Gamta 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Williamsas, JR et al 2024 m. „Pathfinder“ eksperimentuoja su atomų interferometrija „Cold Atom Lab“, esančioje Tarptautinėje kosminėje stotyje. Nat Commun 15, 6414. Paskelbta: 13 m. rugpjūčio 2024 d. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Išankstinio spausdinimo versija https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- NASA pirmą kartą kosmose demonstruoja „itin šaunų“ kvantinį jutiklį. Paskelbta 13 m. rugpjūčio 2024 d https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
