Новый рекорд сверхнизких температур на орбите открывает путь к квантовому моделированию

Китайские исследователи, работающие на борту космической станции «Тяньгун», сообщили о достижении рекордно низкой эквивалентной температуры для облака атомов — всего 9,7 пикокельвина, что в четыре раза ниже предыдущего мирового достижения. Результаты, опубликованные в журнале Science, демонстрируют, что конденсат Бозе-Эйнштейна, созданный с помощью оптической дипольной ловушки в условиях микрогравитации, способен сохранять стабильность и наблюдаемость в течение семи секунд свободного расширения. Это открывает новые горизонты для квантового моделирования и прецизионных измерений в космосе.

Когда речь заходит об изучении квантового мира, чем холоднее становится материя, тем более странные и удивительные свойства она приобретает. При температурах, близких к абсолютному нулю, атомы перестают вести себя как отдельные частицы и превращаются в единое квантовое облако, которое описывается одной волновой функцией. Именно такие состояния, называемые конденсатами Бозе-Эйнштейна, позволяют ученым заглянуть в самые глубокие основы физики.

Однако получить и удержать подобное облако непросто: гравитация заставляет атомы оседать в ловушке, а магнитные поля накладывают ограничения на их внутренние состояния. Космос, где царит микрогравитация, предоставляет уникальную возможность обойти эти ограничения, но до сих пор эксперименты на орбите либо длились недолго, либо не позволяли использовать достаточно гибкие методы охлаждения. Теперь команда с китайской станции «Тяньгун» доказала, что оптические ловушки, использующие сфокусированные лазерные лучи, способны создавать конденсат в условиях невесомости и удерживать его значительно дольше, чем удавалось ранее.

В ходе эксперимента исследователи охладили около двадцати тысяч атомов рубидия с помощью лазерного и испарительного охлаждения, а затем перенесли их в более широкую оптическую ловушку, ослабив удержание. Это позволило снизить энергию расширения облака и измерить его поведение в трех измерениях. Градиент магнитного поля, примененный на начальном этапе, сделал конденсат менее чувствительным к магнитным возмущениям, что повысило стабильность всей системы.

Измеренная эквивалентная температура составила 9,7 пикокельвина с погрешностью в диапазоне от 7,0 до 12,9 пикокельвина. Время свободного расширения, в течение которого ученые могли отслеживать облако, достигло семи секунд — это в семь раз больше, чем на Международной космической станции. Именно длительность наблюдения и рекордно низкая температура вместе открывают новые возможности для точных измерений и изучения экзотических квантовых фаз.

Авторы исследования видят в своей разработке мощный инструмент для будущих открытий. Они планируют использовать систему для квантового моделирования низкотемпературных явлений в уникальной космической среде, включая изучение распада жидкостного порядка Томонаги-Луттингера в одномерных бозонных системах, а также свойств бозе-стекла и фрактальных фаз Мотта в неупорядоченных потенциалах. Еще одна перспективная цель — создание космического атомного интерферометра, который позволит проводить точные проверки фундаментальных принципов, таких как принцип эквивалентности. По словам исследователей, оптические ловушки с регулируемым объемом могут увеличить количество атомов, доступных для экспериментов, что еще больше расширит возможности новой платформы.

В результате исследования китайские ученые не только установили новый мировой рекорд по эквивалентной температуре для конденсата Бозе-Эйнштейна в космосе, но и доказали, что оптические дипольные ловушки способны обеспечить длительное и стабильное наблюдение за квантовыми объектами в условиях микрогравитации. Это достижение закладывает основу для нового поколения экспериментов в области квантовой физики и прецизионных измерений, которые станут возможны благодаря сочетанию сверхнизких температур и продолжительного времени свободного расширения на борту орбитальной станции.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях