Модернізована лабораторія NASA під назвою Cold Atom Lab знову запрацювала на борту Міжнародної космічної станції. Вона стала потужним інструментом для дослідження фундаментальної природи матерії та розробки квантових технологій майбутнього. Використовуючи унікальні умови мікрогравітації, вчені сьогодні проводять експерименти, які просто неможливо здійснити на Землі.
Розміром із невеликий мініхолодильник, установка Cold Atom Lab повністю керується дистанційно із Землі. Її головне завдання — охолоджувати атоми до температур, що максимально наближаються до абсолютного нуля (-273°C). За таких екстремальних умов атоми об’єднуються в єдиний дивовижний квантовий об’єкт — конденсат Бозе-Ейнштейна.
Цей конденсат вважається п’ятим агрегатним станом речовини (поряд із твердим, рідким, газоподібним та плазмою). Він складається з хвиль матерії та підпорядковується виключно законам квантової механіки. Як зазначає Джейсон Вільямс, науковий співробітник проєкту з Лабораторії реактивного руху NASA, за найнижчих температур хвильова природа речовини починає домінувати. Це дозволяє проводити надзвичайно точні вимірювання часу, гравітації та складних рухів космічних тіл.
Лазери та магнітні пастки
Нещодавно наукова установка отримала серйозне оновлення. Модернізований модуль прибув на космічну станцію в межах місії Commercial Resupply Services, значно розширивши інструментарій дослідників.
Процес створення квантового газу такий: смужки металевого рубідію або калію нагрівають у вакуумній камері до 400 °C, перетворюючи їх на газ. Після цього у гру вступають ретельно налаштовані лазери — вони віртуально «відбирають» енергію в атомів, змушуючи їх сповільнюватися та стрімко охолоджуватися. На фінальному етапі магнітні поля утримують атоми в спеціальних пастках, а додаткові методи охолодження зупиняють їх майже повністю.
Чому космос кращий за земні лабораторії?
Досліджувати ультрахолодні гази можна і на Землі, проте космос дає фундаментальну перевагу. У стані мікрогравітації квантові гази зберігаються значно довше, їх можна охолодити до ще нижчих температур, а самі квантові хвилі стають об’ємними. Щоб зробити це можливим на орбіті, інженерам довелося стиснути обладнання, яке зазвичай займає цілу кімнату, до розмірів компактної стійки.
«У минулому столітті квантова революція подарувала нам лазери, мобільні телефони та апарати МРТ. Зараз ми реалізуємо «квантову революцію 2.0» — пряме маніпулювання великими квантовими станами», — розповідає Етан Елліотт, заступник наукового керівника проєкту в JPL.
Розширення меж можливого
Це вже четверте велике оновлення Cold Atom Lab із моменту її встановлення у 2018 році. Серед головних нововведень — магнітна пастка революційної конструкції, яка здатна змінювати форму хмар квантового газу, та вдосконалені джерела генерації металевих атомів.
За словами керівника проєкту Камаля Удрхірі, це обладнання дозволяє людству максимально наблизитися до повного контролю над квантовим світом. Проєкт, яким керує Каліфорнійський технологічний інститут (Caltech) за підтримки JPL, не лише розширює горизонти фундаментальної фізики. Він готує ґрунт для створення нових надточних космічних приладів: квантових інтерферометрів, систем навігації та надчутливих інструментів для вимірювання гравітації Землі та Місяця.
Раніше ми розповідали про те, як експеримент із крихітним Всесвітом змоделював умови після Великого вибуху.
За матеріалами sciencedaily.com
