Ученые исследуют облако вещества в пятом состоянии, в космосе

В июле 2018 года NASA объявило о невероятном достижении. Агентство создало самое холодное место в космосе — прямо там, на Международной космической станции, на орбите вокруг Земли.

Они взяли атомы мягкого металла — рубидия, и охладили их до температуры около 100 нано Кельвин — на одну десятую миллиона градуса выше абсолютного нуля.

Это привело к появлению очень холодного облака, называемого конденсатом Бозе-Эйнштейна, экзотическим «пятым» состоянием вещества, которое может помочь нам понять странные квантовые свойства ультрахолодных атомов. Но исследования на этом не остановились.

Используя Лабораторию холодного атома, ученые продолжили производить конденсаты Бозе-Эйнштейна, охлажденные еще сильнее, — используя условия микрогравитации на космической станции, чтобы узнать больше об этом состоянии, чем мы могли бы на Земле.

Конденсаты Бозе-Эйнштейна довольно странные. Они образуются из бозонов, охлажденных до доли выше абсолютного нуля (но не достигающей абсолютного нуля, когда атомы перестают двигаться). Это заставляет их опускаться до состояния с самой низкой энергией, двигаться очень медленно и сближаться достаточно близко, чтобы перекрываться — создавая облако атомов высокой плотности, которое действует как один «суператом» или волна вещества.

Поскольку квантовую механику, в которой каждую частицу можно описать как волну, легче наблюдать в атомном масштабе, конденсаты Бозе-Эйнштейна позволяют ученым изучать квантовое поведение в гораздо большем масштабе, вместо того, чтобы пытаться изучать отдельные атомы.

Конденсаты Бозе-Эйнштейна могут быть созданы на Земле, используя комбинацию лазерного охлаждения, магнитных полей и испарительного охлаждения. Последний метод — последний шаг — атомы удерживаются в магнитной ловушке, а радиочастотное излучение используется для «испарения» наиболее энергичных частиц, оставляя холодные частицы, образуя конденсат.

Как только это происходит, ловушка отключается, и ученые могут проводить эксперименты. Но они должны действовать быстро — естественная сила отталкивания между атомами заставит облако расширяться и рассеиваться. Гравитация заставляет этот процесс происходить довольно быстро — всего несколько десятков миллисекунд.

Без гравитации, вы можете создать конденсат Бозе-Эйнштейна, который может существовать более секунды.

Это то, что исследователи достигли с Лабораторией Холодного Атома — но когда они исследовали созданные конденсаты, они обнаружили эффекты, которые не могут возникнуть при гравитации Земли.

«Мы обнаруживаем, что испарительное охлаждение, вызванное радиочастотами, дает заметно отличающиеся результаты в условиях микрогравитации», — пишут они в своей статье.

«Мы наблюдаем увеличение числа атомов на орбите почти в три раза. Посредством применения различных градиентов магнитного поля мы подтверждаем, что примерно половина атомов находится в магнитно-нечувствительном состоянии, образуя галообразное облако вокруг места расположения магнитной ловушки».

На Земле гравитация является доминирующей силой, действующей на эти атомы, удаляя их из ловушки.

В космосе, если взглянуть на конденсат поближе, обнаружился ореол рыхлых атомов рубидия, парящий вокруг краев облака. Благодаря способу охлаждения материала эти атомы едва обращают внимание на магнитную ловушку. В свободном падении они зависали, предоставляя потенциально полезный ультрахолодный ресурс для будущих исследований.

Возможность получения более холодных, более продолжительных конденсатов Бозе-Эйнштейна также означает, что мы можем начать думать о других способах их изучения. Например, формы ловушек, невозможные на Земле, могут быть созданы, чтобы наблюдать различные квантовые поведения.

Волновые свойства конденсатов могут быть использованы для атомных интерферометров, измеряющих фундаментальные физические константы.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Источники: Фото: Компьютерная модель конденсата Бозе-Эйнштейна. (NASA/NIST)