Физики создают экзотическую «пятую форму материи» на борту МКС

Согласно недавней статье, опубликованной в журнале Nature, физики из Калифорнийского технологического института и Лаборатории реактивного движения создали редкое квантовое состояние вещества, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (BEC) в космосе. Физики сделали это, разместив компактную экспериментальную установку размером с мини-холодильник на борту Международной космической станции (МКС). Она называется Лаборатория холодного атома (CAL), иначе говоря, «самое крутое место во вселенной».

Название BEC идет в честь Альберта Эйнштейна и индийского физика Сатьендры Бозе, которые в 1920-х годах предсказывали возможность того, что волнообразная природа атомов может позволить атомам распространяться и перекрываться, если они упакованы достаточно близко друг к другу. При нормальной температуре атомы действуют как бильярдные шары, отскакивая друг от друга. Понижение температуры снижает их скорость. Если температура становится достаточно низкой (миллиардные доли градуса выше абсолютного нуля), и атомы достаточно плотно упакованы, волны разных веществ смогут «чувствовать» друг друга и координировать себя, как если бы они были одним большим «суператомом».

Физики Эрик Корнелл и Карл Виман, работавшие в то время в лаборатории JILA Университета Колорадо, создали первый BECs в лаборатории в 1995 году. Используя лазерную ловушку, они охлаждали около 10 миллионов атомов газа рубидия; охлажденные атомы удерживались на месте магнитным полем. Но атомы все еще не были достаточно холодными, чтобы образовать BEC, поэтому они добавили второй шаг, испарительное охлаждение, в котором сеть магнитных полей координируется, чтобы выбить самые горячие атомы, чтобы более холодные атомы могли подойти ближе друг к другу. Этот процесс работает во многом так же, как испарительное охлаждение происходит с вашей утренней чашкой кофе - более горячие атомы поднимаются к вершине магнитной ловушки и "выпрыгивают" в виде пара.

К сентябрю 2001 года более трех десятков команд повторили эксперимент. Это открытие положило начало совершенно новой отрасли физики. BEC позволяют ученым изучать странный, маленький мир квантовой физики, как если бы они смотрели на него через увеличительное стекло; BEC "усиливает" атомы так же, как лазер усиливает фотоны. Виман, Корнелл и Вольфганг Кеттерле разделили Нобелевскую премию по физике 2001 года за свои достижения.

Немецкий эксперимент MAIUS 1 (Интерферометрия Материнской Волны в Микрогравитации) создал BEC в космосе в 2017 году, во время шестиминутной фазы микрогравитационного полета на борту зондирующей ракеты. Лабораторное оборудование, необходимое для создания BEC на Земле, занимает менее 1 м3, а для его работы требуется всего около 510 Вт, что делает его идеальным для экспериментов на МКС. Инструмент CAL был установлен на борту в мае 2018 года. В настоящее время установка использует атомы рубидия для создания BEC, но есть планы включить атомы калия в смесь для изучения физики смешанных BEC.

Это значительное достижение, потому что BEC, созданные в космосе, работают дольше, чем в наземных лабораториях, даже после того, как замкнутые ловушки отключаются, что дает физикам немного больше времени для изучения экзотического состояния вещества - на одну секунду, по сравнению с долями секунды на Земле. Как объясняет Нил Патель в «Обзоре технологий».

Чтобы проводить эксперименты с использованием BEC, нам необходимо выключить или отпустить магнитную ловушку. Облако атомов будет расширяться, что полезно, потому что BEC должны оставаться холодными, а газы, как правило, охлаждаются при расширении. Но если атомы в BEC слишком далеко друг от друга, они больше не ведут себя как конденсат. Тут микрогравитация низкой околоземной орбиты вступает в игру. Если вы попытаетесь увеличить объем на Земле, говорит физик JPL Дэвид Эвелин, соавтор недавней статьи в Nature, гравитация просто потянет атомы в центре облака BEC вниз к дну ловушки, пока они не прольются наружу, искажая конденсат или полностью разрушая его.

Но в условиях микрогравитации инструменты в CAL могут удерживать атомы вместе даже при увеличении объема ловушки. Это делает конденсат более долгоживущим, что, в свою очередь, позволяет ученым изучать его дольше, чем они могли бы делать это на Земле (первоначальная демонстрация длилась 1,118 секунды, хотя цель состоит в том, чтобы иметь возможность исследовать облако в течение 10 секунд).

"Мы будем проводить эксперименты BEC ежедневно, в течение многих часов в день", - сказала Эвелин. Инструмент полностью управляется дистанционно. Мы запускаем его с компьютеров на Земле".

Первоначально предполагалось, что CAL проработает около года, прежде чем потребуются запасные части, но астронавты МКС - особенно Кристина Кох - выполняли важнейшее техническое обслуживание, чтобы продлить срок его службы. Инструмент работает уже целых два года. Среди последних усовершенствований - атомный интерферометр, который может использовать BEC к для измерения любых изменений гравитации на поверхности планеты. BEC также может в конечном итоге обнаружить аксионы, теоретически холодную частицу темной материи, или использоваться для поиска источников темной энергии.

«В прошлом наше главное понимание внутренней работы природы было получено от ускорителей частиц и астрономических обсерваторий», - сказал соавтор Роберт Томпсон из Caltech. «Я считаю, что в будущем точные измерения с использованием холодных атомов будут играть все более важную роль».