Изследваха облак от „пето“ състояние на материята в Космоса

През юли 2018 г. НАСА обяви невероятно постижение. Бяха създали най-студеното място в Космоса и то съвсем близо, на Международната космическа станция, в орбита около Земята. Използвали са атоми на мек метал, наречен рубидий, като са ги охладили до температури около 100 нано Келвина – една десетмилионна част от Келвин над абсолютната нула.

Това доведе до създаването на супер студен облак, наречен кондензат на Бозе-Айнщайн, екзотичното „пето“ състояние на материята и такова, което може да ни помогне да разберем странните квантови свойства на ултра студените атоми. Но изследванията не спират дотук.

Използвайки Лабораторията за студени атоми към Лабораторията за реактивни двигатели, учените продължават да произвеждат кондензат на Бозе-Айнщайн използвайки условията на микрогравитация на борда на космическата станция, за да научат повече за това състояние, отколкото биха могли на Земята.

Кондензатите на Бозе-Айнщайн са доста странни. Те се формират от бозони, охладени до само част от абсолютната нула (но не достигащи абсолютна нула, в която точка атомите спират да се движат). Това ги кара да потъват до най-ниското си енергийно състояние, движейки се изключително бавно и се сближават достатъчно за да се припокриват, създавайки облак с висока плътност на атоми, който действа като един „супер атом“ или материална вълна.

Тъй като квантовата механика – в която всяка частица може да бъде описана като вълна – е по-лесно да се наблюдава в атомната скала, кондензатите на Бозе-Айнщайн позволяват на учените да изучават квантовото поведение в много по-голям мащаб, вместо да се опитват да изучават отделни атоми.

Кондензатите на Бозе-Айнщайн могат да бъдат създадени тук на Земята, като се използва комбинация от лазерно охлаждане, магнитни полета и изпарително охлаждане. Последната техника е последната стъпка – атомите се държат в магнитен капан и радиочестотното излъчване се използва за „изпаряване“ на най-енергийните частици, оставяйки студените и мудните отзад, за да образуват кондензат.

След като това се случи, капанът се изключва и учените могат да извършват експерименти. Но те трябва да действат бързо – естествената отблъскваща сила между атомите ще доведе до разширяване и разсейване на облака не след дълго. Всъщност гравитацията означава, че този процес се случва доста бързо – само няколко десетки милисекунди.

Ако на гравитацията се противодейства при свободно падане, може да се получи кондензат от Бозе-Айнщайн, който може да съществува над секунда.

В допълнение, намаленото въздействие на гравитацията означава, че кондензатът може да се образува по-лесно. Това осигурява на изследователите по-добър прозорец за наблюдаване на облака, както преди, така и за кратко след неговото освобождаване.

Това постигат изследователите в лабораторията на Студения атом и когато пробват произведените кондензати, те откриват ефекти, които не могат да настъпят при наличието на земната гравитация.

„Откриваме, че индуцираното от радиочестота изпарително охлаждане показва значително различни резултати в условията на микрогравитация“, пишат те в своята статия.

„Чрез прилагането на различни градиенти на магнитното поле ние потвърждаваме, че приблизително половината от атомите са в магнитно нечувствително състояние | 2, 0⟩, образувайки халогенно подобен облак около местоположението на магнитния капан. „

На Земята гравитацията е доминиращата сила, действаща върху тези атоми, отстранявайки ги от пространството около капана. В космоса, където може да се разгледа по-отблизо кондензатът, учените откриват ореол от свободни атоми на рубидий, които се въртят около краищата на облака. Благодарение на начина, по който материалът се охлажда, тези атоми не се влияят от магнитния капан. Гравитацията обикновено ги дърпа настрани, поне на Земята.

Възможността за производство на по-студени, по-дълготрайни кондензати от Бозе-Айнщайн също означава, че можем да започнем да мислим за други начини, по които можем да ги изследваме. Например, форми на капани, които не са възможни на Земята, могат да бъдат създадени, за да се види дали могат да се наблюдават различни квантови поведения.

Вълновите свойства на кондензатите Бозе -Айнщайн са потенциално полезни и за атомните интерферометри, които могат да бъдат използвани за измерване на основни физични константи.

„Използвахме основните възможности на CAL в ниска земна орбита, за да демонстрираме непосредствени и основни ползи от микрогравитацията за експерименти с ултра студени атоми … Тези експерименти формират началото на нови научни операции, с допълнителни възможности на инструмента, който да бъде използван продължително време “, пишат изследователите в статията.

„Предлагат се бъдещи модулни надстройки за инструмента CAL за разширени проучвания на мисията, включително научен модул, изграден от JPL, включващ интерферометър с атомна вълна. Освен това, полезните товари за последващи мисии са в етапи на предложения и разработки, осигурявайки непрекъснато присъствие и приложение на ултра студени атоми в орбита. „

Изследването е публикувано в списание Nature.