Зачем на МКС будет создана самая холодная точка во Вселенной?

Квантовая физика любит холод. В частности, макроскопические квантовые явления, вроде сверхпроводимости, сверхтекучести и конденсата Бозе-Эйнштейна встречаются только при достаточно низких температурах. В настоящее время методы охлаждения могут достигать температуры в несколько нанокельвинов, достижение еще более низких температур на Земле связано с определенными трудностями из-за необходимости охлаждать материю под действием земного притяжения. Лаборатория охлаждения атомов NASA появится на МКС в 2016 году, что позволит создать температуру примерно в три раза меньше самой низкой из всех, воссозданных доселе.

Пролить свет на природу квантовой материи (формы материи, в которых макроскопические свойства продиктованы квантовой механикой) — это одна из основных тем за последние полвека в физике, которая собрала девять Нобелевских премий. Примеры: сверхпроводимость, сверхтекучесть, дробный квантовый эффект Холла и конденсаты Бозе-Эйнштейна.

Предположительно новые и неожиданные квантовые эффекты должны быть открыты при более холодных температурах. В частности, эксперименты на спокойном фоне должны предоставить данные о крошечных эффектах, не омраченных тепловым шумом. Ключи к природе пространства и времени, квантовой запутанности, принципу эквивалентности и другим вопросам могут быть скрыты именно в холоде.

Диапазон новых применений достаточно широк, к примеру, потенциальные квантовые датчики на основе атомной интерферометрии длины волны, в которых волновая природа атомов настолько усилена низкими температурами, что они интерферируют между собой.

Как понимать холодную температуру? По температурной шкале Кельвина, нулевая температура — это абсолютный ноль, при котором все классическое движение останавливается. Изменение температуры связывается с одним градусом Кельвина, который равен одному градусу Цельсия.

На пути к сверххолодным температурам есть свои маркеры. У сухого льда температура 195 К, жидкий азот кипит при 77 К, а гелий становится жидким при 4,2 К. Реликтовый микроволновый фон Вселенной отвечает 2,725 К, а в самом холодном месте, известном во Вселенной, в туманности Бумеранга температура в 1 К.

Маркеры хороши, но материя при температуре в 1 пикокельвин в триллион раз холоднее, чем туманность Бумеранга. Огромный скачок, который позволяет ощутить по-настоящему сильный мороз. Как вариант — можно взглянуть на длину волны де Бройля (в примерном квантовом размере) атомы в холодном газе.

При комнатной температуре атом среднего веса имеет длину волны около 0,02 нм, что примерно в 10 раз меньше, чем физический размер атома. Расхождение в размерах объясняет, почему атомные газы вообще не демонстрируют квантовую природу при комнатных температурах. При температуре в 1 К длина волны около 0,3 нм, куда больше, чем разделение атомов в жидкости, и можно наблюдать квантово-механический сверхтекучий гелий, который появляется примерно при такой температуре.

При пикокельвине длина волны составляет примерно 0,3 мм, размером со среднюю песчинку, и значительно больше классического размера атома. Когда квантовые волны отдельных атомов в газе накладываются друг на друга, в системе начинают доминировать квантовые эффекты; в случае атомного газа из бозонов, вы получите конденсат Бозе-Эйнштейна.



Квантовые корреляции, в которых проявляются свойства сверххолодной материи, как правило, довольно слабые и разрушаются тепловыми флуктуациями, тем самым предотвращая формирование конденсированных квантовых фаз. Поэтому квантовые свойства обычно появляются при более низких температурах.

Эксперименты при самых низких температурах на сегодняшний день вовлекают квантовые атомные газы. Чтобы провести такой эксперимент, нужно поймать в ловушку, охладить и испытать коллекцию отдельных атомов. К сожалению, атомные ловушки страдают от предельной температуры, которой можно достичь и от однородности захваченной системы.

Сегодня лучшие ловушки для атомов работают на базе гравитомагнетического баланса. Диамагнитные атомы отталкиваются от магнитных полей, поэтому при размещении градиентного магнитного поля атомы будут опускаться до уровня, в котором сила магнитного взаимодействия будет просто уравновешивать силу тяжести. Гравитомагнетическая ловушка сконструирована таким образом, что магнитное поле меньше в центре ловушки, нежели по краям, поэтому атомы ограничены горизонтальной плоскостью.

Очевидно, что магнитные взаимодействия различных атомов в такой ловушке не однородны, особенно если учесть дефекты в конструкции и работе магнитов ловушки. В результате ни одна система не предлагает к изучению однородный материал, и легче провести анализ его свойств. Кроме того, любые колебания или другие изменения в магнитном поле будут иметь тенденцию заставлять атомы двигаться быстрее, что эквивалентно увеличению температуры. Из-за таких эффектов самая низкая температура квантового атомного газа, достигнутая на сегодняшний день, составляет около 0,45 нК, в рамках эксперимента Массачусетского технологического института.

Лаборатория охлаждения атомов NASA должна сломать температурный барьер и дать возможность провести эксперименты с квантовыми газами на температурах в несколько пикокельвинов. NASA задают глупый, на первый взгляд, вопрос: зачем нам ловушка для сверххолодных экспериментов с атомными газами?

Этот вопрос демонстрирует фундаментальный переломный момент. Если атомы будут достаточно охлаждены, ловушка, возможно, и не понадобится. Обычный эксперимент с пойманными в ловушку атомами проводится в пределах нескольких квадратных миллиметров. С образцом при температуре в 1 К, атомы сбегут из этих пределов за миллисекунду, не оставив ни копейки времени для проведения эксперимента. При температуре в 1 нК атомы будут оставаться в экспериментальных пределах около 5 секунд. При температуре в 1 пК время побега может составить более 3 минут, даже невзирая на взаимодействия между атомами. Высокоточные и значимые эксперименты легко можно будет провести в течение нескольких секунд, тем самым сведя необходимость ловить атомы в ловушку к нулю.

И хотя может быть нет необходимости удерживать атомы при низких температурах (если не считать использование ловушки между экспериментами), остается еще сила тяжести. На Земле атомы разлетелись бы из экспериментального пространства за 25 миллисекунд. Также по мере падения атомы выдают очень много кинетической энергии, что приводит к проблемам.

Какое есть решение при низких температурах? Вывести лабораторию по изучению квантового атомного газа на орбиту. При достаточно низкой температуре ловушки будут не нужны, а также не понадобится устройство для компенсирования силы гравитации.

В результате NASA образно назвало свою лабораторию Cold Atom Lab, и она будет запущена на Международную космическую станцию в 2016 году. Эта лаборатория станет пионером в сфере новых техник и видов анализа, управления и использования пресловутых квантовых явлений при сверхнизких температурах. Это позволит пролить свет на некоторые крайне интересные феномены. Кроме того, басни говорят, что в темноте и холоде прячется много сюрпризов.

Источник:  http://hi-news.ru