2860
Фізики на борту китайської орбітальної станції «Тяньгун» досягли нового температурного рекорду, повідомляє ScienceAlert. Вони охолодили хмару атомів до 9,7 пікоКельвінів — це еквівалентна температура, що приблизно у 280 мільярдів разів нижча за середню температуру космічного мікрохвильового фону.
Для порівняння, «середній» космос має близько 2,7 Кельвіна, тобто приблизно мінус 270,45 °C. Новий експеримент наблизився до абсолютного нуля ближче, ніж будь-коли раніше, встановивши рекорд найнижчої зафіксованої еквівалентної температури.
Абсолютний нуль і чому його неможливо досягти
Абсолютний нуль, або 0 Кельвінів, вважається теоретичною нижньою межею температури у Всесвіті. Нижче цього рівня теплова енергія просто не може впасти. Це фундаментальна межа, подібна до швидкості світла для руху.
Однак на відміну від швидкості світла, абсолютного нуля досягти неможливо. Чим ближче система підходить до нього, тим важче видалити залишкову теплову енергію. У якийсь момент для подальшого охолодження знадобився б нескінченно довгий процес, який неможливо реалізувати фізично.
Попри це, фізики продовжують знижувати температуру до мікро-, нано- й пікоКельвінів. У цих екстремальних умовах речовина починає поводитися нетипово з точки зору нашого повсякденного досвіду.
Бозе-Ейнштейнівський конденсат: речовина як єдиний квантовий об’єкт
Одним із найдивніших станів речовини є Бозе-Ейнштейнівський конденсат. Він виникає, коли певні атоми охолоджують до температури, що на долі градуса вище за абсолютний нуль.
У такому стані атоми перестають поводитися як окремі частинки. Їхні індивідуальні квантові стани зливаються в єдину когерентну систему, яка функціонує майже як один гігантський квантовий об’єкт.
Оскільки квантові ефекти зазвичай найпомітніші на атомному масштабі, Бозе-Ейнштейнівські конденсати дозволяють вивчати квантову поведінку вже на набагато більших масштабах. Вони також надзвичайно чутливі до зовнішніх впливів, тому придатні для точних вимірювань фундаментальних фізичних величин.
Чому експеримент перенесли в космос
Створення Бозе-Ейнштейнівського конденсату — дуже складний процес. На Землі головною перешкодою стає гравітація, яка обмежує час, протягом якого можна тримати ультрахолодну хмару атомів у «невагомому» стані та охолоджувати її далі.
Щоб зменшити вплив гравітації, дослідники перенесли експерименти в космос. У 2018 році НАСА вперше створило Бозе-Ейнштейнівський конденсат на борту Міжнародної космічної станції, охолодивши атоми рубідію до близько 100 наноКельвінів. Згодом рекорд посунули ще нижче: у 2021 році у вежі вільного падіння в Бремені досягли 38 пікоКельвінів.
Нова робота китайської команди пішла ще далі саме завдяки тривалому режиму мікрогравітації на орбіті.
Як охолодили атоми до 9,7 пікоКельвінів
Команда під керівництвом Сяоцзі Чжоу (Xiaoji Zhou) і Сюцзуна Чена (Xuzong Chen) з Пекінського університету та Вейбяо Чена (Weibiao Chen) з Академії наук Китаю працювала з атомами ізотопу рубідію-87. Це популярний елемент для лазерного охолодження і створення Бозе-Ейнштейнівських конденсатів.
Спочатку атоми рубідію-87 утримували в оптичній пастці в установці під назвою Cold Atom Physics Rack і охолоджували їх лазерами. Потім застосували випаровувальне охолодження: найенергійніші атоми отримували можливість покинути пастку, а ті, що залишилися, мали нижчу середню енергію — отже, нижчу температуру.
На Землі гравітація допомагає таким атомам «утікати» з пастки. В орбітальній невагомості цього ефекту майже немає, тож дослідникам довелося штучно відтворити дію гравітації, створивши магнітний градієнт, який «тягнув» енергійні атоми вниз і сприяв їхньому виходу.
Після цих етапів вони отримали Бозе-Ейнштейнівський конденсат приблизно з 20 000 атомів рубідію, охолоджений до близько 3,1 наноКельвіна. Але на цьому експеримент не завершився.
Конденсат перемістили до другої, ширшої пастки з лазерного світла й поступово послаблювали її, дозволяючи хмарі розширюватися з меншим вивільненням енергії. Зрештою пастку повністю вимкнули й спостерігали, як атомна хмара розповзається в мікрогравітації.
Розширення було настільки повільним, що атоми вдавалося реєструвати ще через сім секунд після вимкнення пастки. Саме за швидкістю цього розширення команда обчислила еквівалентну температуру атомної хмари — рекордні 9,7 пікоКельвіна.
Що таке еквівалентна температура і навіщо це потрібно
Зафіксоване значення — це не «звичайна» температура в сенсі термометра. Йдеться про так звану еквівалентну температуру, яка описує енергію, пов’язану з розширенням хмари.
Фактично дослідники дивляться, наскільки повільно рухаються атоми під час розширення хмари, визначають їхню енергію руху та виражають її в Кельвінах. Для точних квантових експериментів саме ця характеристика надзвичайно важлива.
Чим повільніше розлітаються атоми, тим довше їх можна спостерігати й керувати ними. А це означає більш чутливі вимірювання — наприклад, для тестування фундаментальних законів фізики.
Майбутні застосування: надточні вимірювання і нові стани речовини
Мета таких експериментів — не лише побити температурний рекорд. Ультрахолодні квантові гази в космосі відкривають шлях до нового покоління вимірювальних приладів.
Одна з найперспективніших технологій — атомна інтерферометрія, де використовують хвильові властивості атомів для виявлення надзвичайно малих змін у навколишньому середовищі. Якщо атоми розширюються повільно і залишаються когерентними довше, чутливість таких інтерферометрів значно зростає.
Це може допомогти, зокрема, у перевірці принципу еквівалентності — ідеї про те, що гравітація однаково діє на всі тіла, незалежно від їхньої маси чи складу. Крім того, можливість створювати ультрахолодні квантові гази в космосі дає шанс дослідити екзотичні стани речовини, які на Землі реалізувати дуже складно.
Автори роботи підкреслюють, що їхня повністю оптична платформа ультрахолодних атомів відповідає суворим вимогам до квантового моделювання і прецизійної метрології в майбутніх космічних місіях. Таким чином, вона може стати інструментом для просування одразу кількох ключових напрямів сучасної фізики.
Фізики охолодили атомний газ до рекордної температури в космосі з’явилася спочатку на Цікавості.
