Efni hefur tvíþætt eðli; allt er til bæði sem ögn og bylgja. Við hitastig nálægt algjöru núlli verður bylgjueðli atóma sjáanlegt með geislun á sýnilegu sviði. Við svona ofurkaldt hitastig á nanóKelvin-sviðinu renna atómin saman í eina stærri heild og fara yfir í fimmta ástandið sem kallast Bose Eisenstein Condensate (BEC) sem hegðar sér eins og bylgja í stórum pakka. Eins og allar bylgjur sýna frumeindir í þessu ástandi fyrirbærið truflun og hægt er að rannsaka truflunarmynstur atómbylgna á rannsóknarstofum. Atómtruflamælar sem eru notaðir í örþyngdarumhverfi geimsins virka sem einstaklega nákvæmur skynjari og gefa tækifæri til að mæla veikustu hröðun. Lítill ísskápur í Cold Atom Laboratory (CAL) á braut um jörðina um borð í alþjóðlegu geimstöðinni (ISS) er rannsóknaraðstaða til að rannsaka ofurkaldar skammtalofttegundir í örþyngdarumhverfi geimsins. Það var uppfært með Atom Interferometer fyrir nokkrum árum. Samkvæmt skýrslunni sem birt var 13. ágúst 2024, hafa vísindamenn gert tilraunir með slóðaleit með góðum árangri. Þeir gætu mælt titring ISS með því að nota þriggja púlsa Mach-Zehnder víxlmæli um borð í CAL aðstöðu. Þetta var í fyrsta skipti sem skammtaskynjari var notaður í geimnum til að greina breytingar í nánasta umhverfi. Önnur tilraunin fól í sér notkun Ramsey skurðbylgjutruflana til að sýna truflunarmynstur í einni keyrslu. Mynstrið var sjáanlegt í meira en 150 ms frjálsa þenslutíma. Þetta var lengsta sýningin á bylgjueðli atóma í frjálsu falli í geimnum. Rannsóknarteymið mældi einnig Bragg leysiljóseindahringinn sem sýnikennslu á fyrsta skammtaskynjaranum sem notaði atómtruflanir í geimnum. Þessi þróun er veruleg. Sem nákvæmustu skynjararnir geta geimtengdu ofurkalda atóm víxlmælarnir mælt afar veik hröðun og bjóða því upp á tækifæri fyrir rannsakendur til að kanna spurningarnar (eins og hulduefni og dimma orku, ósamhverfu efnis og andefnis, sameiningu þyngdaraflsins við önnur svið) að almenn afstæðiskenning og staðallíkan agnaeðlisfræði geta ekki útskýrt og fyllt upp í skarðið í skilningi okkar á alheiminum.
Bylgjur sýna fyrirbærið truflun, þ.e. tvær eða fleiri samhangandi bylgjur sameinast til að mynda bylgju sem getur haft hærri eða lægri amplitude eftir fasa sameinandi bylgjunnar. Þegar um ljós er að ræða sjáum við bylgjur sem myndast í formi dökkra og ljósra brúna.
Interferometry er aðferð til að mæla eiginleika með því að nota fyrirbærið truflun. Það felur í sér að skipta innfallsbylgjunni í tvo geisla sem fara mismunandi leiðir og sameinast síðan til að mynda truflunarmynstur eða brúnir (ef um er að ræða ljós). Truflunarmynstrið sem myndast er viðkvæmt fyrir breytingum á skilyrðum akstursleiða geislanna, til dæmis, allar breytingar á lengd ferðaleiðar eða á hvaða sviði sem er í tengslum við bylgjulengd hefur áhrif á truflunarmynstur og er hægt að nota til mælinga.
de Broglie bylgja eða efnisbylgja
Efni hefur tvíþætt eðli; það er bæði til sem ögn og bylgja. Sérhver ögn eða hlutur á hreyfingu hefur bylgjueiginleika sem gefin eru af de Broglie jöfnunni
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
þar sem λ er bylgjulengd, h er fasti Plancks, m er massi, v er hraði ögnarinnar, p er skriðþunga, K er Boltzmann fasti og T er hitastig í Kelvin.
Thermal de Broglie bylgjulengdin er í öfugu hlutfalli við kvaðratrót hitastigs í kelvin sem þýðir að λ verður meiri við lægra hitastig.
Rannsókn á ofurköldum atómbylgjum
Fyrir dæmigerð atóm er de Broglie bylgjulengdin við stofuhita í röð angström (10-10 m) þ.e. 0.1 nanómetrar (1 nm=10-9 m). Geislun af tiltekinni bylgjulengd getur leyst smáatriði á sama stærðarsviði. Ljós getur ekki leyst smáatriði sem eru minni en bylgjulengd þess og þess vegna er ekki hægt að mynda dæmigerð atóm við stofuhita með því að nota sýnilegt ljós sem hefur bylgjulengd á bilinu um það bil 400 nm til 700 nm. Röntgengeislar geta gert það vegna angströms bylgjulengdar en mikil orka eyðir einmitt frumeindunum sem það á að fylgjast með. Þess vegna liggur lausnin í því að lækka hitastig atómsins (í undir 10-6 kelvin) þannig að de Broglie bylgjulengdir atómanna aukast og verða sambærilegar við bylgjulengdir sýnilegs ljóss. Við ofurkaldt hitastig verður bylgjueðli atómanna mælanlegt og skiptir máli fyrir truflun.
Þar sem hitastig atóma minnkar enn frekar á nanókelvínsviðinu (10-9 kelvin) á bilinu um 400 nK, frumeindabósónin fara yfir í fimmta ástandsefnið sem kallast Bose-Einstein þéttiefni (BCE). Við svo ofurlágt hitastig nálægt algjöru núlli þegar varmahreyfingar agna verða afar hverfandi, renna frumeindirnar saman í eina stærri heild sem hegðar sér eins og bylgja í stórum pakka. Þetta ástand atóma veitir vísindamönnum tækifæri til að rannsaka skammtakerfi á stórsæjum mælikvarða. Fyrsta frumeind f.Kr. var búið til árið 1995 í gasi úr rúbídíum atómum. Síðan þá hefur þetta svæði orðið fyrir miklum framförum í tækni. The sameinda BEC af NaCs sameindum var nýlega búið til við ofurkaldt hitastig upp á 5 nanóKelvin (nK).
Örþyngdaraðstæður í geimnum eru betri fyrir skammtafræðirannsóknir
Þyngdarafl í rannsóknarstofum á jörðu niðri krefst notkun segulgildru til að halda atómunum á sínum stað fyrir skilvirka kælingu. Þyngdarafl takmarkar einnig víxlverkunartímann við BEC í jarðbundnum rannsóknarstofum. Myndun BEC í míkróþyngdarumhverfi geimrannsóknastofa yfirstígur þessar takmarkanir. Örþyngdarumhverfi getur aukið víxlverkunartíma og dregið úr truflunum frá hinu beitta sviði, og stutt þannig betur við skammtafræðirannsóknir. BCE eru nú venjulega mynduð við örþyngdaraðstæður í geimnum.
Cold Atom Laboratory (CAL) í alþjóðlegu geimstöðinni (ISS)
Cold Atom Laboratory (CAL) er fjölnota rannsóknaraðstaða með aðsetur í alþjóðlegu geimstöðinni (ISS) til að rannsaka ofurkaldar skammtalofttegundir í örþyngdarumhverfi geimsins. CAL er fjarstýrt frá aðgerðastöðinni á þotuframdrifsrannsóknarstofunni.
Í þessari geimstöð er hægt að hafa athugunartíma yfir 10 sekúndur og ofurkaldt hitastig undir 100 picoKelvin (1 pK= 10-12 Kelvin) til að rannsaka skammtafræðifyrirbæri.
Cold Atom Lab var hleypt af stokkunum 21. maí 2018 og var sett upp á ISS í lok maí 2018. Bose-Einstein Condensate (BEC) var búið til í þessari geimstöð í júlí 2018. Þetta var í fyrsta skipti; fimmta ástand efnis varð til á sporbraut um jörðu. Síðar var aðstaðan uppfærð í kjölfar dreifingar á ofurkaldum atómtruflumælum.
CAL hefur náð mörgum áföngum á undanförnum árum. Rubidium Bose–Einstein þéttiefni (BEC) var framleitt í geimnum árið 2020. Einnig var sýnt fram á að umhverfi örþyngdaraflsins er hagkvæmt fyrir tilraunir með kalt atóm.
Á síðasta ári, árið 2023, framleiddu vísindamenn tvítegunda BEC myndað úr 87Rb og 41K og sýndi samtímis atómtruflun með tveimur atómtegundum í fyrsta skipti í geimnum í Cold Atom Laboratory leikni. Þessi afrek voru mikilvæg fyrir skammtaprófanir á alheimi frjálsu falls (UFF) í geimnum.
Nýlegar framfarir í geimtengdri skammtatækni
Samkvæmt skýrslunni sem birt var 13. ágúst 2024) voru vísindamenn starfandi 87Rb atóm í CAL atóm interferometer og tókst að framkvæma þrjár tilraunir til að finna slóðir. Þeir gætu mælt titring ISS með því að nota þriggja púlsa Mach-Zehnder víxlmæli um borð í CAL aðstöðu. Þetta var í fyrsta skipti sem skammtaskynjari var notaður í geimnum til að greina breytingar í nánasta umhverfi. Önnur tilraunin fól í sér notkun Ramsey skurðbylgjutruflana til að sýna truflunarmynstur í einni keyrslu. Mynstrið var sjáanlegt í meira en 150 ms frjálsa þenslutíma. Þetta var lengsta sýningin á bylgjueðli frumeinda í frjálsu falli í geimnum. Rannsóknarteymið mældi einnig Bragg leysiljóseindahringinn sem sýnikennslu á fyrsta skammtaskynjaranum sem notaði atómtruflanir í geimnum.
Mikilvægi ofurkaldra atómtruflamæla sem beitt er út í geim
Atóm interferometers beisla skammtaeðli atóma og eru afar viðkvæmir fyrir breytingum á hröðun eða sviðum og hafa því notkun sem verkfæri með mikilli nákvæmni. Jarðbundnir atóm interferometers eru notaðir til að rannsaka þyngdarafl og í háþróaðri leiðsögutækni.
Geimtengdir atóm interferometers hafa kosti viðvarandi örþyngdaraflhverfis sem býður upp á frjálst fallskilyrði með mun minni áhrifum sviða. Það hjálpar einnig Bose-Einstein þéttiefni (BEC) að ná kaldara hitastigi á picoKelvin sviðinu og eru til í lengri tíma. Nettóáhrifin eru lengri athugunartími og því betra tækifæri til að læra. Þetta veitir ofurkalda atómtruflumælum sem eru settir út í geiminn með mikilli nákvæmni mælingar og gera þá ofurskynjara.
Ofurkaldir atómtruflamælar sem eru settir upp í geimnum geta greint mjög lúmskur þyngdaraflsbreyting sem er vísbending um breytileika í þéttleika. Þetta getur hjálpað til við að rannsaka samsetningu plánetulíkama og hvers kyns massabreytingar.
Mikil nákvæmnismæling á þyngdarafl getur einnig hjálpað til við að skilja betur hulduefni og dimma orku og við könnun á fíngerðum kraftum handan almennrar afstæðiskenningar og staðlaða líkansins sem lýsa sjáanlegum alheimi.
Almenn afstæðiskenning og staðlaða líkanið eru kenningarnar tvær sem lýsa sjáanlegum alheimi. Staðlað líkan agnaeðlisfræði er í grundvallaratriðum skammtasviðskenning. Það lýsir aðeins 5% af alheiminum, afgangurinn 95% er í myrkri mynd (dökkt efni og dimm orka) sem við skiljum ekki. Staðlaða líkanið getur ekki útskýrt hulduefni og dimma orku. Það getur ekki útskýrt ósamhverfu efnis og andefnis líka. Á sama hátt var ekki hægt að sameina þyngdarafl við hin sviðin ennþá. Raunveruleiki alheimsins er ekki að fullu útskýrður með núverandi kenningum og líkönum. Risastórir hraðalar og stjörnustöðvar geta ekki varpað ljósi á mikið af þessum leyndardómum náttúrunnar. Sem nákvæmustu skynjararnir bjóða öfgakaldir atóm interferometers í geimnum tækifæri fyrir vísindamenn til að kanna þessar spurningar til að fylla upp í skarðið í skilningi okkar á alheiminum.
***
Tilvísanir:
- Meystre, Pierre 1997. Þegar atóm verða að bylgjum. Fæst kl https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Cold Atom Laboratory – Alheimsverkefni. Fæst kl https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, o.fl. Athugun á Bose-Einstein þéttingu í rannsóknarstofu á braut um jörðu. Náttúra 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP o.fl. Skammtagasblöndur og tvítegunda atómtruflun í geimnum. Náttúra 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Williams, JR, et al 2024. Pathfinder-tilraunir með atómtruflanir í Cold Atom Lab um borð í alþjóðlegu geimstöðinni. Nat Commun 15, 6414. Birt: 13. ágúst 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Forprentuð útgáfa https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- NASA sýnir „Ultra-Cool“ skammtaskynjara í fyrsta skipti í geimnum. Birt 13. ágúst 2024.Fæst kl https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***