Рекордно низької температури для охолоджених атомів досягли на борту китайської космічної станції «Тяньгун». Хмару рубідію там перевели в особливий квантовий стан і охолодили сильніше, ніж будь-коли раніше на Землі чи в космосі. Уперше на орбіті атоми в такому стані утримували самі лазери, без магнітного поля. Рекорд став можливим завдяки поєднанню світлової пастки з невагомістю.
Найхолодніша хмара атомів
Хмару з приблизно 20 тисяч атомів рубідію спершу перевели в стан конденсату Бозе — Ейнштейна, коли всі частинки опиняються в однаковому квантовому стані й поводяться як одна велика квантова хвиля. Після розширення хмари її еквівалентна температура опустилася до 9,7 пікокельвіна, тобто до 9,7 трильйонної частки градуса вище абсолютного нуля. Таку температуру не вимірюють термометром, а обчислюють з того, як повільно розпливається хмара.
Що холодніший конденсат, то довше з ним можна працювати, а від цього залежить точність вимірювань. За даними Live Science, попередній космічний рекорд у 52 пікокельвіни встановили в лабораторії NASA Cold Atom Lab на Міжнародній космічній станції. Нова хмара була приблизно у 280 мільярдів разів холоднішою за реліктове випромінювання, яке заповнює Всесвіт і має температуру близько 2,7 кельвіна.
Лазери замість магнітів
Експеримент провели фізики Пекінського університету і Шанхайського інституту оптики і точної механіки Китайської академії наук, а результати опубліковані в рецензованому журналі Science. Усі попередні конденсати на орбіті утримували магнітні пастки на атомних чипах, які втримують лише атоми в певному квантовому стані. Сфокусований лазерний промінь притягує атоми незалежно від їхнього стану.
У невагомості світлову пастку можна послабити майже до нуля, бо атоми не зміщуються відносно установки. Команда спершу випускала з неї найенергійніші атоми, а потім різко знизила потужність лазера, і розкид швидкостей у хмарі ще зменшився.
Сім секунд розширення
На Землі атоми за частку секунди падають на дно вакуумної камери. У вежі для вільного падіння, де досягли 38 пікокельвінів, хмару вдавалося спостерігати лише дві секунди, а на станції цей час зріс до семи.
Тривале вільне розширення потрібне для атомної інтерферометрії, тобто вимірювання сили тяжіння за допомогою атомів. Хмару ділять на дві частини, що рухаються різними шляхами, і знову зводять разом, а найменша різниця в гравітації між шляхами змінює результат. Чутливість такого приладу зростає з квадратом часу спостереження, тож орбітальні інтерферометри могли б точніше вимірювати гравітаційне поле Землі, як зазначає Китайська академія наук.
Перевірка теорії відносності
Ще один напрям стосується принципу еквівалентності. Згідно з ним, усі тіла в полі тяжіння падають з однаковим прискоренням, хоч би з чого вони складалися, і на цьому тримається загальна теорія відносності.
Для такої перевірки в пастку поміщають атоми двох різних хімічних елементів, одночасно відпускають обидві хмари і за допомогою атомного інтерферометра порівнюють, чи однаково швидко вони падають. Автори роботи називають такі вимірювання серед напрямів, для яких придатна лазерна пастка на орбіті. Таких вимірювань на станції ще не проводили. Але якщо колись дві хмари впадуть хоч трохи по-різному, теорію Ейнштейна доведеться переглянути.
