Materija ima dvostruku prirodu; sve postoji i kao čestica i kao val. Na temperaturi blizu apsolutne nule, valna priroda atoma postaje vidljiva zračenjem u vidljivom području. Na tako ultraniskim temperaturama u rasponu nanoKelvina, atomi se spajaju u jedan veći entitet i prelaze u peto stanje koje se naziva Bose Eisensteinov kondenzat (BEC) koji se ponaša kao val u velikom paketu. Kao i svi valovi, atomi u ovom stanju pokazuju fenomen interferencije, a obrasci interferencije atomskih valova mogu se proučavati u laboratorijima. Atomski interferometri raspoređeni u mikrogravitacijskom okruženju svemira djeluju kao iznimno precizni senzori i pružaju mogućnost mjerenja najslabijih ubrzanja. Cold Atom Laboratory (CAL) veličine malog hladnjaka koji kruži oko Zemlje na Međunarodnoj svemirskoj postaji (ISS) je istraživačka ustanova za proučavanje ultrahladnih kvantnih plinova u mikrogravitacijskom okruženju svemira. Nadograđen je Atom Interferometrom prije nekoliko godina. Prema izvješću objavljenom 13. kolovoza 2024.), istraživači su uspješno proveli eksperimente tragača. Mogli su mjeriti vibracije ISS-a pomoću tropulsnog Mach-Zehnder interferometra na CAL postrojenju. Ovo je bio prvi put da je kvantni senzor korišten u svemiru za otkrivanje promjena u neposrednoj okolini. Drugi eksperiment uključivao je korištenje Ramseyeve interferometrije posmičnih valova kako bi se manifestirali uzorci interferencije u jednom ciklusu. Uzorci su bili vidljivi tijekom vremena slobodnog širenja od preko 150 ms. Ovo je bila najduža demonstracija valne prirode atoma u slobodnom padu u svemiru. Istraživački tim također je izmjerio trzaj fotona Braggovog lasera kao demonstraciju prvog kvantnog senzora koji koristi atomsku interferometriju u svemiru. Ovi razvoji su značajni. Kao najprecizniji senzori, svemirski ultrahladni atomski interferometri mogu mjeriti iznimno slaba ubrzanja i stoga istraživačima nude priliku za istraživanje pitanja (kao što su tamna tvar i tamna energija, asimetrija materija-anti-materija, sjedinjavanje gravitacije s drugim poljima) da opća teorija relativnosti i standardni model fizike čestica ne mogu objasniti i popuniti prazninu u našem razumijevanju svemira.
Valovi pokazuju fenomen interferencije, tj. dva ili više koherentnih valova kombiniraju se da bi se stvorio rezultantni val koji može imati veću ili nižu amplitudu ovisno o fazama kombiniranih valova. U slučaju svjetla vidimo rezultirajuće valove u obliku tamnih i svijetlih rubova.
Interferometrija je metoda mjerenja karakteristika pomoću fenomena interferencije. Uključuje cijepanje upadnog vala u dvije zrake koje putuju različitim stazama, a zatim se kombiniraju da bi oblikovale rezultirajući interferencijski uzorak ili rubove (u slučaju svjetlosti). Rezultirajući uzorak interferencije osjetljiv je na promjene u uvjetima putanje zraka, na primjer, bilo koja promjena u duljini putanje putovanja ili u bilo kojem polju u odnosu na valnu duljinu utječe na uzorak interferencije i može se koristiti za mjerenja.
de Broglie val ili val materije
Materija ima dvostruku prirodu; postoji i kao čestica i kao val. Svaka pokretna čestica ili objekt ima valnu karakteristiku koju daje de Broglie jednadžba
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
gdje je λ valna duljina, h je Planckova konstanta, m je masa, v je brzina čestice, p je impuls, K je Boltzmanova konstanta, a T je temperatura u Kelvinima.
Termalna de Broglie valna duljina obrnuto je proporcionalna kvadratnom korijenu temperature u kelvinima, što znači da će λ biti veća pri nižoj temperaturi.
Proučavanje ultra hladnih atomskih valova
Za tipični atom, de Broglieva valna duljina na sobnoj temperaturi je redom angstroma (10-10 m) tj. 0.1 nanometar (1 nm=10-9 m). Zračenje određene valne duljine može razlučiti detalje u istom rasponu veličina. Svjetlost ne može razlučiti detalje manje od svoje valne duljine, stoga se tipični atom na sobnoj temperaturi ne može prikazati korištenjem vidljive svjetlosti koja ima valnu duljinu u rasponu od oko 400 nm do 700 nm. X-zrake mogu biti učinkovite zbog svoje valne duljine u rasponu angstroma, ali njihova visoka energija uništava same atome koje bi trebala promatrati. Dakle, rješenje je u smanjenju temperature atoma (na ispod 10-6 kelvin) tako da se de Broglie valne duljine atoma povećavaju i postaju usporedive s valnim duljinama vidljive svjetlosti. Na ultraniskim temperaturama, valna priroda atoma postaje mjerljiva i relevantna za interferometriju.
Kako se temperatura atoma dalje smanjuje u rasponu nanokelvina (10-9 kelvina) u rasponu od oko 400 nK, atomski bozoni prelaze u materiju petog stanja koje se naziva Bose-Einsteinov kondenzat (BCE). Na takvim ultra-niskim temperaturama blizu apsolutne nule kada toplinska kretanja čestica postanu krajnje zanemariva, atomi se spajaju u jedan veći entitet koji se ponaša kao val u velikom paketu. Ovo stanje atoma daje priliku istraživačima da proučavaju kvantne sustave na makroskopskoj razini. Prvi atomski BCE stvoren je 1995. u plinu atoma rubidija. Od tada je ovo područje doživjelo mnoga poboljšanja u tehnologiji. The molekularni BEC molekula NaCs nedavno je stvoren na ultrahladnoj temperaturi od 5 nanoKelvina (nK).
Uvjeti mikrogravitacije u svemiru bolji su za kvantno mehanička istraživanja
Gravitacija u zemaljskim laboratorijima zahtijeva korištenje magnetske zamke za držanje atoma na mjestu radi učinkovitog hlađenja. Gravitacija također ograničava vrijeme interakcije s BEC-ovima u zemaljskim laboratorijima. Formiranje BEC-a u mikrogravitacijskom okruženju svemirskih laboratorija prevladava ta ograničenja. Mikrogravitacijsko okruženje može produljiti vrijeme interakcije i smanjiti smetnje iz primijenjenog polja, čime se bolje podupire kvantno mehaničko istraživanje. BCE se sada rutinski formiraju u uvjetima mikrogravitacije u svemiru.
Laboratorij hladnih atoma (CAL) na Međunarodnoj svemirskoj postaji (ISS)
Cold Atom Laboratory (CAL) višekorisnička je istraživačka ustanova smještena na Međunarodnoj svemirskoj postaji (ISS) za proučavanje ultrahladnih kvantnih plinova u mikrogravitacijskom okruženju svemira. CAL-om se upravlja daljinski iz operativnog centra u Laboratoriju za mlazni pogon.
U ovom svemirskom objektu moguće je imati vremena promatranja preko 10 sekundi i ultrahladne temperature ispod 100 pikoKelvina (1 pK= 10-12 Kelvin) za proučavanje kvantnih fenomena.
Cold Atom Lab lansiran je 21. svibnja 2018. i postavljen je na ISS krajem svibnja 2018. Bose-Einsteinov kondenzat (BEC) stvoren je u ovom svemirskom objektu u srpnju 2018. Ovo je bilo prvi put; u Zemljinoj orbiti stvoreno je peto agregatno stanje. Kasnije je postrojenje nadograđeno nakon postavljanja ultrahladnih atomskih interferometra.
CAL je posljednjih godina postigao mnoge prekretnice. Rubidij Bose-Einsteinovi kondenzati (BEC) proizvedeni su u svemiru 2020. Također je pokazano da je mikrogravitacijsko okruženje povoljno za eksperimente s hladnim atomima.
Prošle godine, 2023., istraživači su proizveli BEC dvije vrste formiran od 87Rb i 41K i demonstrirao istodobnu atomsku interferometriju s dvije atomske vrste po prvi put u svemiru u laboratoriju Cold Atom Laboratory. Ta su postignuća bila važna za kvantne testove univerzalnosti slobodnog pada (UFF) u svemiru.
Nedavni napredak u svemirskim kvantnim tehnologijama
Prema izvješću objavljenom 13. kolovoza 2024.), zaposleni istraživači 87Rb atoma u CAL atomskom interferometru i uspješno proveo tri eksperimenta pronalaženja puta. Mogli su mjeriti vibracije ISS-a pomoću tropulsnog Mach-Zehnder interferometra na CAL postrojenju. Ovo je bio prvi put da je kvantni senzor korišten u svemiru za otkrivanje promjena u neposrednoj okolini. Drugi eksperiment uključivao je korištenje Ramseyeve interferometrije posmičnih valova kako bi se manifestirali uzorci interferencije u jednom ciklusu. Uzorci su bili vidljivi tijekom vremena slobodnog širenja od preko 150 ms. Ovo je bila najduža demonstracija valne prirode atoma u slobodnom padu u svemiru. Istraživački tim također je izmjerio trzaj fotona Braggovog lasera kao demonstraciju prvog kvantnog senzora koji koristi atomsku interferometriju u svemiru.
Značenje ultrahladnih atomskih interferometra raspoređenih u svemiru
Atomski interferometri koriste kvantnu prirodu atoma i izuzetno su osjetljivi na promjene u ubrzanju ili poljima, stoga imaju primjenu kao alati visoke preciznosti. Zemljini atomski interferometri koriste se za proučavanje gravitacije i u naprednim navigacijskim tehnologijama.
Svemirski atomski interferometri imaju prednosti postojanog mikrogravitacijskog okruženja koje nudi uvjete slobodnog pada s mnogo manjim utjecajem polja. Također pomaže Bose-Einsteinovim kondenzatima (BEC) da postignu niže temperature u rasponu pikoKelvina i da postoje dulje. Konačni učinak je produljeno vrijeme promatranja, a time i bolja prilika za proučavanje. To daje ultrahladnim atomskim interferometrima postavljenim u svemir visokoprecizne mjerne mogućnosti i čini ih super-senzorima.
Ultrahladni atomski interferometri raspoređeni u svemiru mogu detektirati vrlo suptilne varijacije u gravitaciji što je indikativno za varijacije u gustoći. To može pomoći u proučavanju sastava planetarnih tijela i bilo kakvih promjena mase.
Visoko precizno mjerenje gravitacije također može pomoći u boljem razumijevanju tamne materije i tamne energije te u istraživanju suptilnih sila izvan Opće teorije relativnosti i Standardnog modela koje opisuju vidljivi svemir.
Opća teorija relativnosti i standardni model dvije su teorije koje opisuju vidljivi svemir. Standardni model fizike čestica je u osnovi kvantna teorija polja. Opisuje samo 5% svemira, ostalih 95% je u tamnim oblicima (tamna materija i tamna energija) koje ne razumijemo. Standardni model ne može objasniti tamnu materiju i tamnu energiju. Ne može objasniti ni asimetriju materija-antimaterija. Slično, gravitacija se još nije mogla ujediniti s drugim poljima. Realnost svemira nije u potpunosti objašnjena trenutnim teorijama i modelima. Divovski akceleratori i zvjezdarnice ne mogu rasvijetliti većinu tih misterija prirode. Kao najprecizniji senzori, svemirski ultrahladni atomski interferometri nude istraživačima priliku da istraže ova pitanja kako bi popunili prazninu u našem razumijevanju svemira.
***
Reference:
- Meystre, Pierre 1997. Kad atomi postanu valovi. Dostupno na https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Laboratorij hladnih atoma – svemirske misije. Dostupno na https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, et al. Promatranje Bose-Einsteinovih kondenzata u istraživačkom laboratoriju koji kruži oko Zemlje. Nature 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP i sur. Kvantne plinske smjese i interferometrija atoma dvojne vrste u svemiru. Nature 623, 502-508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Williams, JR, dr. 2024. Pathfinder eksperimentira s atomskom interferometrijom u Cold Atom Labu na Međunarodnoj svemirskoj postaji. Nat Commun 15, 6414. Objavljeno: 13. kolovoza 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Preprint verzija https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- NASA demonstrira 'ultra-cool' kvantni senzor po prvi put u svemiru. Objavljeno 13. kolovoza 2024. Dostupno na https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
