Przejdź do treści

Kondensat Bosego-Einsteina na orbicie

img

Na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej udało się uzyskać kondensat Bosego-Einsteina - ultrazimny gaz bozonów, który pozwala w makroskali obserwować efekty kwantowe. To przełomowe osiągnięcie techniczne otwiera też drogę do dokładniejszych badań fizyki kwantowej na orbicie.

Na Międzynarodową Stację Kosmiczną w 2018 r. trafił instrument Cold Atom Laboratory, rozwijany przez ośrodek NASA Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie. Zadaniem urządzenia jest tworzenie na stacji kondensatów Bosego-Einsteina, egzotycznego gazu, który często nazywany jest piątym stanem materii.


Czym jest kondensat Bosego-Einsteina?

Kondensat Bosego-Einsteina to stan skupienia gazu, którego istnienie przewidzieli Satyendra Nath Bose i Albert Einstein w latach 20. ubiegłego wieku. Taki gaz można uzyskać poprzez uwięzienie atomów bozonowych (o spinie całkowitym) przy odpowiedniej gęstości i schłodzeniu ich poniżej temperatury krytycznej, bliskiej zeru absolutnemu. W takich warunkach większość atomów zajmuje najniższy możliwy stan energetyczny (stan podstawowy).

W mechanice kwantowej mamy do czynienia z dualizmem korpuskularno-falowym. Każda cząstka może być opisana jako fala materii. Przy “normalnych” temperaturach fale materii atomów są mniejsze od ich fizycznych rozmiarów. W tak ekstremalnym stanie jak kondensat Bosego-Einsteina dochodzi do tego, że cząstki osiągają “wspólnie” ten sam stan kwantowy. Fizycznie nie znajdują się w jednym miejscu, ale kondensują się w przestrzeni pędów - w objętości tego gazu każda cząstka ma ten sam stan podstawowy i wszystkie cząstki zachowują się kolektywnie jak jedna duża cząstka.

Kondensaty Bosego-Einsteina są świetnym narzędziem do testowania mechaniki kwantowej. Możemy bowiem utworzyć w dużej skali gaz, który zachowuje się jak pojedyncza fala materii.


Krótki film opisujący eksperyment. Źródło: NASA/JPL.


Z Ziemi na orbitę

Musieliśmy czekać ponad 70 lat, by z teoretycznych rozważań udało się uzyskać ten stan materii. Stało się to w 1995 r. na Uniwersytecie w Kolorado. Fizycy Cornell i Wieman za utworzenie kondensatu z atomów rubidu dostali w 2001 roku nagrodę Nobla z fizyki.

Uzyskanie kondensatu BEC, choć teraz wykonywane w laboratoriach na całym świecie, nie jest zadaniem trywialnym. Gaz schładzamy bowiem do temperatur bliskich zeru absolutnemu (−273,15 °C, 0 K). Nawet średnia temperatura próżni kosmicznej jest znacznie wyższa, bo wynosi 2,7 K.

Do schładzania atomów używa się wielu technik, które wykorzystują światła laserów i pułapki tworzone z pola magnetycznego. W ostatniej fazie schładzania wykorzystuje się technikę “evaporative cooling” (chłodzenie przez odparowywanie), gdzie gaz jest już mocno schłodzony w pułapce, ale pozwala się z niej uciec “najszybszym” atomom, wytrącając je przy użyciu promieniowania radiowego. Proces powtarza się dla coraz niższych energii, aż średnia energia kinetyczna gazu (jego temperatura) obniży się poniżej wartości krytycznej.

Na Ziemi wrogiem kondensatów jest grawitacja. Wymusza ona stosowanie głębokich pułapek magnetycznych, by trzymać gaz w jednej objętości. Przez to gęstość takiego gazu jest stosunkowo duża i po jego uwolnieniu naukowcy mają tylko kilka sekund zanim oddziaływania odpychające między atomami nie rozszerzą chmury na tyle, że obserwacja kondensatu przestanie być możliwa.

Niski wpływ grawitacji (spowodowany orbitowaniem Ziemi) pozwala na utworzenie znacznie płytszych pułapek magnetycznych, a co za tym idzie tworzenie rzadszych kondensatów, które można badać przez dłuższy czas.


Pierwszy kondensat na ISS

I tak właśnie stało się na ISS. Pierwszy kondensat utworzony w orbitalnym laboratorium utrzymał się przez 1,118 s. Jest to dopiero pierwszy eksperyment, a naukowcy mają teraz nadzieję na wykonanie kondensatów z użyciem pułapek magnetycznych o kształtach nieosiągalnych na Ziemi jak np. bąbla. To pozwoli empirycznie zbadać pewne własności takich układów. Badania takie mogą przyczynić się do rozwoju fizyki kwantowej układów wielu ciał.

Już w pierwszym eksperymencie na stacji zaobserwowano ciekawe zjawisko. Atomy rubidu usuwane w fazie evaporative cooling utworzyły sferyczną strefę wokół kondensatu, niewrażliwą na działanie pola magnetycznego. W warunkach ziemskich nie jest to możliwe, bo atomy te spadłyby pod pułapkę. Na orbicie pozostały jednak wokół pułapki.

Oprócz badań fizyki kwantowej kondensaty mogą pomóc w weryfikacji uniwersalności grawitacji i w ultradokładnym wyznaczaniu stałej grawitacyjnej. Interferometria atomowa uzyskana za pomocą kondensatów może posunąć też do przodu badania nad ciemną energią.

Nie można też zapomnieć, że utworzenie kondensatu na ISS jest samo w sobie wielkim osiągnięciem technologicznym. Warunki orbitalne wymuszają bowiem istotne ograniczenia na masę, energochłonność, rozmiar urządzenia i jego niezawodność.

Naukowcy opublikowali wyniki swojej pracy na łamach czasopisma Nature.

 

Na podstawie: Nature/NASA

Opracował: Rafał Grabiański

 

Więcej informacji:

 

 

Na zdjęciu: Instrument Cold Atom Laboratory przed wysłaniem na Międzynarodową Stację Kosmiczną. Źródło: NASA/JPL-Caltech/Tyler Winn.