Materija ima dvojno naravo; vse obstaja kot delci in valovi. Pri temperaturi blizu absolutne ničle postane valovna narava atomov opazna s sevanjem v vidnem območju. Pri tako ultra nizkih temperaturah v območju nanokelvinov se atomi združijo v eno samo večjo entiteto in preidejo v peto stanje, imenovano Bose Eisensteinov kondenzat (BEC), ki se obnaša kot valovanje v velikem paketu. Tako kot vsi valovi tudi atomi v tem stanju kažejo pojav interference in interferenčne vzorce atomskih valov je mogoče preučevati v laboratorijih. Atomski interferometri, nameščeni v mikrogravitacijskem okolju vesolja, delujejo kot izjemno natančni senzorji in nudijo možnost merjenja najšibkejših pospeškov. Laboratorij za hladne atome (CAL) v velikosti mini hladilnika, ki kroži okoli Zemlje na Mednarodni vesoljski postaji (ISS), je raziskovalna ustanova za preučevanje ultrahladnih kvantnih plinov v mikrogravitacijskem okolju vesolja. Pred nekaj leti je bil nadgrajen z atomskim interferometrom. Kot navaja poročilo, objavljeno 13. avgusta 2024), so raziskovalci uspešno izvedli poskuse z iskanjem poti. Lahko bi izmerili vibracije ISS s pomočjo tripulznega interferometra Mach-Zehnder na krovu naprave CAL. To je bilo prvič, da je bil v vesolju uporabljen kvantni senzor za zaznavanje sprememb v neposredni okolici. Drugi poskus je vključeval uporabo Ramseyeve interferometrije strižnih valov za prikaz interferenčnih vzorcev v enem samem zagonu. Vzorce je bilo mogoče opazovati več kot 150 ms časa proste ekspanzije. To je bila najdaljša demonstracija valovne narave atomov v prostem padu v vesolju. Raziskovalna skupina je izmerila tudi Braggov laserski fotonski odboj kot predstavitev prvega kvantnega senzorja, ki uporablja atomsko interferometrijo v vesolju. Ti dogodki so pomembni. Kot najbolj natančni senzorji lahko vesoljski ultrahladni atomski interferometri merijo izredno šibke pospeške in tako raziskovalcem ponujajo priložnosti za raziskovanje vprašanj (kot so temna snov in temna energija, asimetrija materije in antimaterije, poenotenje gravitacije z drugimi polji) da splošna relativnost in standardni model fizike delcev ne moreta pojasniti in zapolniti vrzeli v našem razumevanju vesolja.
Valovi kažejo pojav interference, tj. združitev dveh ali več koherentnih valov povzroči nastanek valovanja, ki ima lahko višjo ali nižjo amplitudo, odvisno od faz združevanja valov. Pri svetlobi vidimo nastale valove v obliki temnih in svetlih obrob.
Interferometrija je metoda merjenja karakteristik z uporabo pojava interference. Vključuje razdelitev vpadnega vala na dva žarka, ki potujeta po različnih poteh, nato pa se združita v nastali interferenčni vzorec ali obrobe (v primeru svetlobe). Nastali interferenčni vzorec je občutljiv na spremembe pogojev potovalnih poti žarkov, na primer vsaka sprememba v dolžini potovalne poti ali v katerem koli polju glede na valovno dolžino vpliva na interferenčni vzorec in se lahko uporabi za meritve.
de Brogliejev val ali val snovi
Materija ima dvojno naravo; obstaja tako kot delec kot val. Vsak gibajoči se delec ali predmet ima valovno karakteristiko, podano z de Brogliejevo enačbo
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
kjer je λ valovna dolžina, h je Planckova konstanta, m je masa, v je hitrost delca, p je gibalna količina, K je Boltzmannova konstanta in T je temperatura v Kelvinih.
Termična de Brogliejeva valovna dolžina je obratno sorazmerna s kvadratnim korenom temperature v kelvinih, kar pomeni, da bo λ večji pri nižji temperaturi.
Študija ultra hladnih atomskih valov
Za tipičen atom je de Brogliejeva valovna dolžina pri sobni temperaturi v vrstnem redu angstromov (10-10 m) tj. 0.1 nanometra (1 nm=10-9 m). Sevanje dane valovne dolžine lahko razreši podrobnosti v istem obsegu velikosti. Svetloba ne more razločiti podrobnosti, ki so manjše od njene valovne dolžine, zato tipičnega atoma pri sobni temperaturi ni mogoče prikazati z uporabo vidne svetlobe, ki ima valovno dolžino v območju od približno 400 nm do 700 nm. Rentgenski žarki lahko delujejo zaradi svoje valovne dolžine v območju angstromov, vendar njegova visoka energija uniči atome, ki naj bi jih opazovali. Rešitev je torej v znižanju temperature atoma (pod 10-6 kelvin), tako da se de Brogliejeve valovne dolžine atomov povečajo in postanejo primerljive z valovnimi dolžinami vidne svetlobe. Pri ultra nizkih temperaturah postane valovna narava atomov merljiva in pomembna za interferometrijo.
Ker se temperatura atomov dodatno zniža v območju nanokelvinov (10-9 kelvina) do približno 400 nK, atomski bozoni preidejo v snov petega stanja, imenovano Bose-Einsteinov kondenzat (BCE). Pri tako zelo nizkih temperaturah blizu absolutne ničle, ko postanejo toplotna gibanja delcev izjemno zanemarljiva, se atomi združijo v eno samo večjo entiteto, ki se obnaša kot valovanje v velikem paketu. To stanje atomov ponuja raziskovalcem priložnost za preučevanje kvantnih sistemov v makroskopskem merilu. Prvi atomski BCE je bil ustvarjen leta 1995 v plinu atomov rubidija. Od takrat je to področje doživelo veliko izboljšav v tehnologiji. The molekularni BEC molekul NaCs je bil nedavno ustvarjen pri ultrahladni temperaturi 5 nanoKelvinov (nK).
Pogoji mikrogravitacije v vesolju so boljši za kvantno mehanske raziskave
Gravitacija v zemeljskih laboratorijih zahteva uporabo magnetne pasti, ki drži atome na mestu za učinkovito hlajenje. Gravitacija tudi omejuje čas interakcije z BEC v zemeljskih laboratorijih. Oblikovanje BEC v mikrogravitacijskem okolju vesoljskih laboratorijev premaga te omejitve. Mikrogravitacijsko okolje lahko poveča čas interakcije in zmanjša motnje iz uporabnega polja ter tako bolje podpira kvantno mehanske raziskave. BCE se zdaj rutinsko oblikujejo v pogojih mikrogravitacije v vesolju.
Laboratorij za hladne atome (CAL) na Mednarodni vesoljski postaji (ISS)
Cold Atom Laboratory (CAL) je večuporabniški raziskovalni objekt s sedežem na Mednarodni vesoljski postaji (ISS) za preučevanje ultra-hladnih kvantnih plinov v mikrogravitacijskem okolju vesolja. CAL se upravlja na daljavo iz operacijskega centra v Laboratoriju za reaktivni pogon.
V tej vesoljski napravi je možno imeti čas opazovanja več kot 10 sekund in ultra nizke temperature pod 100 picoKelvinov (1 pK = 10-12 Kelvin) za preučevanje kvantnih pojavov.
Cold Atom Lab je bil izstreljen 21. maja 2018 in je bil nameščen na ISS konec maja 2018. Bose-Einsteinov kondenzat (BEC) je bil ustvarjen v tem vesoljskem objektu julija 2018. To je bilo prvič; v Zemljini orbiti je bilo ustvarjeno peto agregatno stanje. Kasneje je bil objekt nadgrajen po uporabi ultrahladnih atomskih interferometrov.
CAL je v zadnjih letih dosegel številne mejnike. Rubidijevi Bose–Einsteinovi kondenzati (BEC) so bili proizvedeni v vesolju leta 2020. Dokazano je bilo tudi, da je mikrogravitacijsko okolje ugodno za eksperimente s hladnimi atomi.
Lani, leta 2023, so raziskovalci proizvedli BEC dvojne vrste, ki je nastala iz 87Rb in 41K in je v laboratoriju Cold Atom Laboratory prvič v vesolju prikazal sočasno atomsko interferometrijo z dvema atomskima vrstama. Ti dosežki so bili pomembni za kvantne teste univerzalnosti prostega pada (UFF) v vesolju.
Nedavni napredek v vesoljskih kvantnih tehnologijah
Glede na poročilo, objavljeno 13. avgusta 2024), zaposleni raziskovalci 87atomov Rb v atomskem interferometru CAL in uspešno izvedel tri poskuse iskanja poti. Lahko bi izmerili vibracije ISS s pomočjo tripulznega interferometra Mach-Zehnder na krovu naprave CAL. To je bilo prvič, da je bil v vesolju uporabljen kvantni senzor za zaznavanje sprememb v neposredni okolici. Drugi poskus je vključeval uporabo Ramseyeve interferometrije strižnih valov za prikaz interferenčnih vzorcev v enem samem zagonu. Vzorce je bilo mogoče opazovati več kot 150 ms časa proste ekspanzije. To je bila najdaljša demonstracija valovne narave atomov v prostem padu v vesolju. Raziskovalna skupina je izmerila tudi Braggov laserski fotonski odboj kot predstavitev prvega kvantnega senzorja, ki uporablja atomsko interferometrijo v vesolju.
Pomen ultrahladnih atomskih interferometrov v vesolju
Atomski interferometri izkoriščajo kvantno naravo atomov in so izjemno občutljivi na spremembe v pospeševanju ali poljih, zato se uporabljajo kot visoko natančna orodja. Zemeljski atomski interferometri se uporabljajo za preučevanje gravitacije in v naprednih navigacijskih tehnologijah.
Vesoljski atomski interferometri imajo prednosti obstojnega mikrogravitacijskega okolja, ki ponuja pogoje prostega pada z veliko manjšim vplivom polj. Prav tako pomaga Bose-Einsteinovim kondenzatom (BEC), da dosežejo nižje temperature v območju picoKelvinov in obstajajo dlje časa. Neto učinek je podaljšan čas opazovanja in s tem boljša priložnost za študij. To daje ultrahladnim atomskim interferometrom, nameščenim v vesolje, visoko natančne merilne zmogljivosti in jih naredi super-senzorje.
Ultrahladni atomski interferometri, nameščeni v vesolju, lahko zaznajo zelo subtilne variacije gravitacije, ki kažejo na variacije gostote. To lahko pomaga pri preučevanju sestave planetarnih teles in vseh sprememb mase.
Visoko natančno merjenje gravitacije lahko pomaga tudi pri boljšem razumevanju temne snovi in temne energije ter pri raziskovanju subtilnih sil onkraj splošne teorije relativnosti in standardnega modela, ki opisujeta opazovano vesolje.
Splošna teorija relativnosti in standardni model sta dve teoriji, ki opisujeta opazovano vesolje. Standardni model fizike delcev je v bistvu kvantna teorija polja. Opisuje le 5 % vesolja, preostalih 95 % je v temnih oblikah (temna snov in temna energija), ki jih ne razumemo. Standardni model ne more pojasniti temne snovi in temne energije. Prav tako ne more razložiti asimetrije materije in antimaterije. Podobno gravitacije še ni bilo mogoče poenotiti z drugimi polji. Trenutne teorije in modeli ne pojasnjujejo resničnosti vesolja. Velikanski pospeševalci in observatoriji ne morejo osvetliti večine teh skrivnosti narave. Kot najnatančnejši senzorji vesoljski ultrahladni atomski interferometri ponujajo raziskovalcem priložnost, da raziščejo ta vprašanja, da zapolnijo vrzel v našem razumevanju vesolja.
***
Reference:
- Meystre, Pierre 1997. Ko atomi postanejo valovi. Na voljo na https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Laboratorij hladnih atomov – vesoljske misije. Na voljo na https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, et al. Opazovanje Bose-Einsteinovih kondenzatov v raziskovalnem laboratoriju v Zemljini orbiti. Narava 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Kvantne plinske mešanice in atomska interferometrija dvojnih vrst v vesolju. Narava 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Williams, JR, sod 2024. Pathfinder eksperimentira z atomsko interferometrijo v Cold Atom Lab na Mednarodni vesoljski postaji. Nat Commun 15, 6414. Objavljeno: 13. avgust 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Različica prednatiska https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- NASA prvič v vesolju demonstrira 'ultra-cool' kvantni senzor. Objavljeno 13. avgusta 2024. Na voljo na https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***