Китайские исследователи установили новый рекорд в области сверхнизких температур, охладив облако атомов рубидия до эквивалентной температуры всего 9,7 пикокельвина. Эксперимент провели на борту китайской орбитальной станции «Тяньгун» (Tiangong), где условия микрогравитации позволили значительно расширить возможности изучения ультрахолодной материи.
Полученный результат примерно в четыре раза ниже предыдущего рекорда. Но важна не только сама температура: учёные смогли наблюдать за расширением атомного облака в течение семи секунд после освобождения из лазерной ловушки. Это открывает новые перспективы для квантовых исследований и создания высокоточных измерительных приборов в космосе.
Почему эксперименты с ультрахолодными атомами проводят в космосе?
Охлаждение вещества до экстремально низких температур позволяет исследовать квантовые эффекты, которые при обычных условиях практически невозможно наблюдать. При достаточно сильном охлаждении атомы начинают вести себя необычным образом: вместо того чтобы существовать как множество отдельных частиц, они могут образовывать единую квантовую систему.
Одно из наиболее интересных состояний такого вещества — конденсат Бозе — Эйнштейна. В нём большое количество атомов переходит в одно и то же квантовое состояние и начинает вести себя согласованно, словно отдельные частицы превращаются в единую волну материи.
Однако получить и исследовать такое состояние на Земле непросто. Гравитация постоянно воздействует на атомы, заставляя их смещаться вниз внутри экспериментальной установки. По мере ослабления удерживающего поля контролировать положение и поведение облака становится всё сложнее.
Для решения этой проблемы можно использовать магнитную левитацию, компенсирующую действие земного притяжения. Но у такого подхода есть ограничение: атомы должны находиться в одинаковом внутреннем спиновом состоянии. Это уменьшает свободу исследователей при проведении экспериментов.
Лазерные ловушки предоставляют больше возможностей для управления атомами, однако и здесь гравитация остаётся серьёзным препятствием.
В космосе ситуация принципиально иная. Условия микрогравитации позволяют значительно дольше удерживать ультрахолодное атомное облако в свободном состоянии и наблюдать за его поведением. Именно это преимущество использовала китайская исследовательская группа.
Как удалось охладить атомы до 9,7 пикокельвина?
В основе эксперимента лежала установка для получения и исследования конденсата Бозе — Эйнштейна, размещённая на китайской орбитальной станции «Тяньгун».
Изначально учёные работали примерно с 20 000 атомов рубидия. Чтобы получить необходимое состояние вещества, исследователи применили несколько последовательных этапов охлаждения.
Сначала атомы замедлили с помощью лазерного охлаждения. Этот метод основан на взаимодействии атомов со светом: правильно настроенные лазерные лучи передают частицам импульс, уменьшая скорость их движения.
Затем применили так называемое испарительное охлаждение. Его принцип напоминает охлаждение жидкости при испарении: наиболее энергичные атомы удаляются из облака, а средняя энергия оставшихся частиц снижается.
На этом этапе исследователи использовали оптическую дипольную ловушку — систему сфокусированных лазерных лучей, создающих область, в которой атомы могут удерживаться и контролироваться. Дополнительно применялся градиент магнитного поля, помогавший первоначальному охлаждению и получению конденсата, менее чувствительного к магнитным возмущениям.
После формирования конденсата атомное облако переместили в более широкую оптическую ловушку. Затем её удерживающее воздействие постепенно ослабили. Это позволило уменьшить энергию, которая впоследствии вызывала расширение облака после освобождения.
Когда атомы выпустили из ловушки, исследователи начали отслеживать изменение размеров облака по трём пространственным осям. По скорости его расширения удалось рассчитать эквивалентную температуру.
Результат составил 9,7 пикокельвина. При этом диапазон неопределённости измерения находился между 7,0 и 12,9 пикокельвина.
Для понимания масштаба: один пикокельвин равен одной триллионной доле кельвина. Таким образом, речь идёт о температуре, практически невообразимо близкой к абсолютному нулю — теоретическому пределу, при котором тепловое движение частиц достигает минимально возможного уровня.
Чем новый рекорд превосходит предыдущие достижения?
Главное преимущество китайской установки заключается не только в достигнутой температуре, но и во времени, доступном для наблюдений.
До этого одним из лучших результатов считалось охлаждение атомного облака до 38 пикокельвинов с использованием наземной башни свободного падения. Такая установка позволяет на короткое время создать условия микрогравитации, однако продолжительность эксперимента ограничена высотой башни. Исследователи располагали примерно двумя секундами для наблюдения за расширением облака.
Другой заметный результат был получен на Международной космической станции. Лаборатория Cold Atom Laboratory достигла температуры 52 пикокельвина, используя магнитное удержание и метод фокусировки волн материи. Время свободного расширения атомного облака в том эксперименте составляло около одной секунды.
Китайская установка позволила наблюдать за облаком в течение семи секунд. Это существенное преимущество: чем дольше атомы находятся в свободном состоянии, тем больше возможностей у исследователей измерить даже незначительные изменения их поведения.
Какие возможности открывает технология?
Конденсаты Бозе — Эйнштейна представляют собой своеобразные лаборатории для изучения квантовой физики. С их помощью можно моделировать процессы, которые трудно или невозможно воспроизвести в обычных условиях.
Авторы исследования отмечают, что новые экспериментальные возможности позволят изучать, например, разрушение квантового порядка в газах, ограниченных одномерным пространством, а также поведение атомов в неупорядоченной среде.
Речь идёт о фундаментальных процессах, связанных с коллективным поведением частиц и переходами между различными квантовыми состояниями.
Ещё одно перспективное направление — создание более совершенных оптических ловушек с регулируемым объёмом. Они позволят удерживать больше атомов, расширяя возможности будущих экспериментов.
Однако, пожалуй, наиболее интересным потенциальным применением станет разработка космического атомного интерферометра.
Атомный интерферометр: проверка фундаментальных законов физики
Исследователи рассматривают возможность создания на основе новой технологии интерферометра Маха — Цендера для атомных волн.
В обычной оптике интерферометры используют световые волны. Их разделяют на несколько потоков, направляют по разным траекториям, а затем снова объединяют. Изменения в характере интерференции позволяют обнаруживать чрезвычайно малые различия в пройденных путях.
Атомный интерферометр работает по схожему принципу, но вместо света использует волновые свойства атомов.
Такие приборы способны измерять очень небольшие изменения ускорения и движения. Благодаря увеличенному времени наблюдения в условиях микрогравитации чувствительность подобных измерений потенциально можно существенно повысить.
Одна из задач, для которых может пригодиться эта технология, — проверка принципа эквивалентности. Согласно этому фундаментальному физическому принципу, различные тела в одном и том же гравитационном поле должны падать с одинаковым ускорением независимо от своей массы и состава.
Проверка этого положения с высокой точностью имеет большое значение для современной физики, поскольку принцип эквивалентности лежит в основе общей теории относительности Альберта Эйнштейна.
Космический атомный интерферометр мог бы использовать квантовые свойства атомов для поиска чрезвычайно малых различий в их движении под воздействием гравитации.
Почему это достижение важно для науки?
Рекордные 9,7 пикокельвина — не просто впечатляющая цифра в научной статистике. Эксперимент демонстрирует, что орбитальные лаборатории способны предоставить исследователям условия, которые трудно воспроизвести даже в самых совершенных наземных установках.
Возможность длительного наблюдения за ультрахолодными атомами расширяет перспективы квантового моделирования, изучения фундаментальных физических процессов и разработки сверхточных измерительных приборов.
По мере совершенствования подобных установок космические эксперименты могут стать важным инструментом проверки фундаментальных законов природы. И вполне возможно, что исследования, начавшиеся с охлаждения нескольких десятков тысяч атомов рубидия, в будущем помогут обнаружить эффекты, которые сегодня остаются за пределами возможностей наших измерительных технологий.
Результаты китайского исследования опубликованы в научном журнале Science.
