На борту китайской космической станции группа ученых из КНР довела температуру облака атомов рубидия до значения, которое соответствует 9,7 триллионных долей градуса выше абсолютного нуля. Как сообщает исследовательский коллектив, столь низкий температурный показатель зафиксирован впервые.
Ирина Медведева
Групповое фото исследовательской группы. Источник: /CSU / CGTN
Кроме того, специалисты отслеживали, как расширяется облако на протяжении семи секунд после того, как оно было высвобождено. Благодаря этому удалось выполнить больше опытов, нацеленных на изучение квантового поведения, а также на рост точности измерений.
Отчет о работе увидел свет в пятницу в онлайн-выпуске журнала Science. Эксперимент проходил в лабораторном модуле «Мэнтянь», установленном на станции; в нем были задействованы сотрудники Пекинского университета, Шанхайского института оптики и точной механики, а также Технологического и инженерного центра использования космоса (CSU) Китайской академии наук.
Указанное значение в 9,7 пикокельвина описывает крайне медленное расширение атомов. Из этого не следует, что до той же температуры дошли сами приборы либо пространство вокруг них.
Вольфганг Кеттерле — физик, профессор Массачусетского технологического института, удостоенный Нобелевской премии по физике в 2001 году, — объяснил, чем ценен опыт, проведенный за пределами Земли.
По его словам, в земных условиях облако за семь секунд расширения опустилось бы примерно на 250 метров, то есть попросту упало бы на поверхность, если бы рядом не оказалось вакуумной камеры высотой 250 метров.
Зачем атомы охлаждают в космосе?
Когда атомы охлаждают, их перемещение становится медленнее. Если температура достаточно низка, а плотность высока, они способны сформировать конденсат Бозе — Эйнштейна: в таком состоянии совокупность атомов ведет себя как единое целое, проявляя коллективные квантовые свойства.
Благодаря этому у исследователей появляется возможность наблюдать квантовые эффекты в масштабах, которые крупнее отдельно взятых атомов, и ставить контролируемые опыты ради понимания того, как ведет себя материя.
На Земле степень удержания атомов и продолжительность наблюдений за ними после высвобождения ограничены гравитацией. Ослабление ловушки способствует охлаждению, однако атомы могут быть вырваны из нее тяготением еще до того, как будут достигнуты нужные параметры.
В микрогравитации, царящей на станции, атомы разрешается удерживать существенно слабее, а следить за ними — заметно дольше. Но чтобы воспользоваться такими условиями, требовалась охлаждающая система, способная безотказно функционировать на орбите.
Коллектив применил методику полностью оптического захвата: атомы удерживались и контролировались посредством лазерного излучения. Вслед за испарительным охлаждением, когда наиболее энергичные атомы покидают облако, была выполнена стадия дополнительного охлаждения через неадиабатическое расширение.
Как отмечают авторы работы, в оптической ловушке испарительное охлаждение теряет эффективность при микрогравитации. Ими был предложен подход с привлечением добавочного магнитного градиента, дающий возможность усовершенствовать процесс и добиться конденсата.
Помимо этого, для опыта понадобились высокоточные оптические и электронные системы управления — они сводят к минимуму помехи, способные расстроить работу ультрахолодного облака.
С точки зрения Сюн Вэя и Цзинь Шэнцзе — исследователей из Пекинского университета и соавторов публикации — чем дольше длится наблюдение, тем выше шансы зафиксировать новые, куда более слабые физические эффекты.
Значение, о котором идет речь, относится к температуре движения атомов в облаке, а не к температуре окружающей среды или приборов. В физике ультрахолодных газов температуру определяют по разбросу скоростей частиц: чем медленнее они движутся друг относительно друга, тем ниже соответствует этому разбросу температура.
Показатель в 9,7 пикокельвина, то есть 9,7 триллионных долей кельвина, означает, что атомы рубидия расширяются крайне медленно, и именно скорость расширения облака после снятия ловушки служит мерой достигнутого охлаждения.
Лаборатория, спроектированная для орбиты
Установка отправилась в космос вместе с «Мэнтянь» в 2022 году; проект же, в рамках которого она создавалась, начали оценивать еще в 2011 году.
Наземную экспериментальную систему объемом порядка 20 кубических метров и массой 10 тонн разработчики сумели уместить в космический прибор объемом примерно 0,7 кубического метра и весом в полтонны.
Для этого понадобилось объединить лазеры, прецизионную оптику, систему сверхвысокого вакуума и автоматизированные средства управления — и при этом соблюсти требования, диктуемые космическим полетом, включая ограниченную мощность и потребность в безотказной работе.
Для получения конденсата Бозе — Эйнштейна недостаточно просто замедлить атомы. Нужно, чтобы их волновые функции перекрывались, а для этого требуется сочетание низкой температуры и достаточной плотности. В таком состоянии газ теряет свойства набора отдельных частиц и начинает описываться единой волновой функцией. Это открывает возможность изучать квантовые явления — интерференцию, сверхтекучесть, переходы между фазами — на масштабах, которые заметно превышают размер отдельного атома и потому удобны для измерения.
Именно поэтому микрогравитация представляет интерес для подобных экспериментов. На Земле атомы, выпущенные из ловушки, быстро приобретают скорость под действием силы тяжести; время наблюдения ограничено тем, насколько далеко они могут упасть, не коснувшись стенок камеры. На орбите это ограничение ослабевает, и облако можно изучать дольше, не компенсируя падение. В результате становится возможным фиксировать более слабые эффекты и повышать статистическую точность измерений.
Техническая сложность состояла не только в охлаждении, но и в том, чтобы вся система работала автономно в условиях космического полета. Оптическая ловушка, лазеры, система сверхвысокого вакуума и электроника управления должны были быть компактными, энергоэффективными и надежными.
Команда использовала полностью оптический захват, а для повышения эффективности испарительного охлаждения в условиях микрогравитации применила дополнительный магнитный градиент. Это позволило довести газ до состояния конденсата и удерживать его достаточно долго для проведения серии опытов.
Помимо рекорда по температуре, оптическая система дает шанс заняться квантовым моделированием.
Она способна обеспечивать оптические решетки — образованные лазерным светом структуры, которые удерживают атомы в упорядоченном виде, похожем на кристалл. Меняя подобные структуры и параметры опыта, ученые получают возможность воспроизводить свойства материалов, изучать которые напрямую затруднительно.
Больше времени для точных измерений
Кроме того, эта работа способна поспособствовать созданию атомных интерферометров — устройств, применяющих волновые свойства атомов для измерения таких эффектов, как ускорение и гравитация.
«Атомные интерферометры очень выигрывают от наличия источников, обеспечивающих большое количество атомов в ультрахолодном ансамбле, и длительного времени наблюдения», — заявил Эрнст М. Разель, профессор физики в Ганноверском университете имени Лейбница в Германии.
Разель пояснил: их чувствительность растет пропорционально квадрату того времени, которое атомы проводят внутри интерферометра. По его убеждению, следующим шагом должно стать создание орбитальных интерферометров, где атомы сохраняли бы когерентность на протяжении нескольких секунд.
Подобные опыты помогли бы измерять гравитационное поле Земли и проверять фундаментальные физические законы, в том числе при исследовании моделей темной материи. Эти направления предназначены для дальнейших изысканий.
Помимо фундаментальных исследований, такой инструмент имеет прикладное значение. Атомные интерферометры, построенные на ультрахолодных облаках, способны измерять ускорение и гравитацию с высокой точностью, а их чувствительность растет с увеличением времени, которое атомы проводят в приборе.
Орбитальная платформа дает возможность продлить это время до нескольких секунд, что может найти применение в геодезии, навигации и проверке фундаментальных физических законов. Опыт с рубидием в модуле «Мэнтянь» показывает, что такие измерения становятся технически осуществимыми за пределами Земли.
Достижение Кеттерле охарактеризовал как «отличную отправную точку для развития атомной термометрии и прецизионных измерений».
Кстати, ранее мы сообщали, что ученые из Европы и Китая одновременно испытали лазерную технологию связи со спутниками на геостационарной орбите.
А также публиковали статью о том, что ткани человеческих почек, печени, хрящей и 28 имплантатов нервов впервые напечатаны 3D-биопринтером на орбите Земли.
И информировали об орбитальной гонке стран: почему космические вычисления становятся новым фронтом технологического соперничества.
