Учёные исследовали конденсат Бозе-Эйнштейна в космосе

В январе прошлого года ракета с крошечным чипом, заполненным атомами рубидия-87, была запущена более чем на 200 километров (124 мили) над поверхностью планеты. Миссия была такой короткой, что обеспечила всего шесть минут микрогравитации на этой высоте.

Но в это время крошечный чип на борту был самым холодным местом в космосе, и записал много интересных данных.

Эксперимент «Интерферометрия материи-волны в микрогравитации» (MAIUS 1), запущенный из Кируны в Швеции, был первой из нескольких миссий, целью которых было изучение особого состояния вещества, называемого конденсатом Бозе-Эйнштейна в условиях микрогравитации.

Скопления атомов под действием энергии обычно движутся таким образом, что, теоретически, мы можем рассматривать их как людей в толпе.

Когда они лишаются энергии, то попадают в состояние с одинаковым набором характеристик или квантовых состояний. Вместо того, чтобы двигаться по-разному, они становятся неразличимыми друг с другом – сверхчастицами с одной идентичностью.

Этот конденсат невероятно полезен для физиков, желающих исследовать более глубокий характер поведения частиц.

Приготовление конденсата Бозе-Эйнштейна обычно происходит следующим образом. Атомы удерживают в электромагнитной ловушке, а тщательно настроенные лазеры поражают их с идеальной точностью. Это немного напоминает удар человека по качелям таким образом, что они замедляются, а не ускоряются.

Как только атомы будут спокойны, ловушку можно отключить, и эксперимент может начаться. Но тут нужно быть быстрым – тебе нужно поймать облако атомов, прежде чем оно упадет на дно контейнера.

Без земной гравитации у исследователей было бы больше времени для проведения более сложных экспериментов.

MAIUS 1 — первая попытка создать конденсат Бозе-Эйнштейна в свободном падении.

Обычно для его приготовления требуется помещение для охлаждения атомов. Поэтому исследователи из ряда немецких учреждений должны были сначала миниатюризировать установку.

Конечным результатом стал небольшой чип, содержащий атомы рубидия, которые могли быть упакованы внутри зондирующей ракеты – нелицензируемого исследовательского судна – и взлетели на высоту 243 километра.

На этой высоте чип охладил содержимое до -273.15 градусов по Цельсию.

Эта температура холоднее туманности Бумеранга, которая имеет честь быть самым холодным природным объектом, о котором мы знаем. Итак, на мгновение облако атомов рубидия было буквально самой холодной материей в космосе.

В течение шести минут ракета испытала минимальную гравитацию, прежде чем ускориться до Земли. В целом исследовательская группа использовала 110 различных способов оценить, как гравитация влияет на процесс захвата и охлаждения конденсата Бозе-Эйнштейна, и как он ведет себя в свободном падении.

Этот набор экспериментов, проведённый учёными, может быть чрезвычайно полезен в новом исследовании гравитационных волн.

Чтобы обнаружить безумную крошечную рябь в пространстве-времени, эхо от сталкивающихся монстров, таких как черные дыры и нейтронные звезды, астрофизики в настоящее время разделяют лазерные лучи и рекомбинируют их. Расхождения в их волнах проявляются как образцы интерференции.

Результаты их испытаний показывают, что конденсат Бозе-Эйнштейна может обеспечить другой способ обнаружения этих волн и потенциально увеличить порог их обнаружения.

Исследователи использовали лазер для разделения облака на две половины, а затем позволили им соединиться. Поскольку они должны разделять одно и то же квантовое состояние, включая его волнообразную природу, любые различия в них при слиянии могут в принципе указывать на внешнее влияние. Такие, как изменение их гравитационного поля.

На Земле просто не хватит времени для сбора точных показаний. В свободном падении конденсат может зависнуть достаточно долго, чтобы потенциально обнаружить гравитационные волны.

Несколько месяцев назад НАСА объявило о своем собственном плане -– создании лаборатории с конденсатом Бозе-Эйнштейна на борту Международной космической станции (МКС).

Хотя это был не первый конденсат, который был создан в среде с низкой силой тяжестью, Лаборатория холодных атомов МКС настроена нарушить свои собственные законы для продолжения ультрахолодных экспериментов.

Это исследование было опубликовано в Nature.