Rekordno niska temperatura u Nebeskoj palati: Otvoren put za novu generaciju eksperimenata

Materija počinje drugačije da se ponaša na ekstremno niskim temperaturama, stvarajući uslove idealne za proučavanje kvantne fizike i novih stanja materije. Sada su istraživači iz Kine postigli novi rekord za najnižu temperaturu na svojoj svemirskoj stanici Tjangong (Nebeska palata).

Njihovo istraživanje, nedavno objavljeno u žurnalu Science, moglo bi dovesti do nove generacije eksperimenata u kvantnoj fizici i preciznih merenja u svemiru, piše Phys.org.

Preporučujemo

Potraga za najnižom temperaturom

Na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli, atomi mogu formirati vrstu oblaka zvanu Boze-Ajnštajnov kondenzat (BAK), koji se ponaša kao jedinstveni kvantni talas. Boze-Ajnštajnovi kondenzati su izuzetno dragoceni za fizička istraživanja. Autori nove studije opisuju ih kao „svestrane platforme za kvantnu simulaciju“. Što su atomi hladniji, to se više usporavaju, što naučnicima omogućava da vrše preciznija merenja. To je dovelo do potrage za sve nižim i nižim temperaturama.

Međutim, postizanje izuzetno niskih temperatura blizu apsolutne nule može biti veoma teško. Gravitacija stvara ograničenja jer dovodi do uleganja atoma u zamci. Magnetna levitacija je korišćena za suzbijanje gravitacije, ali ona stvara novi problem tako što primorava atome da imaju isto stanje unutrašnjeg okretanja. Optičke zamke koriste laserske snopove i pružaju fleksibilniju kontrolu, ali pre ove nove studije nisu direktno proizvele kondenzat u uslovima mikrogravitacije.

Prethodni rekord najniže temperature postignut je korišćenjem kule za slobodan pad kako bi se indukovalo stanje slobodnog pada, i tom prilikom je dostignuta ekvivalentna temperatura od 38 pikokelvina (sićušni delić jednog kelvina). Još jedan eksperiment u svemiru, u Laboratoriji za hladne atome na Međunarodnoj svemirskoj stanici, dostigao je 52 pikokelvina primenom magnetnog zarobljavanja i fokusiranja talasa materije. Naučnici koriste ekvivalentnu temperaturu, koja opisuje energiju širenja i brzinu oblaka, budući da standardna termodinamička temperatura nije praktična za ovu vrstu eksperimenata.

Tim koji stoji iza nove studije verovao je da može dostići još nižu temperaturu primenom optičkih dipolnih zamki (ODT), koje koriste fokusirane laserske snopove da zadrže neutralne atome i mikroskopske čestice na mestu. Izvođenje ovoga u svemiru obezbeđuje mikrogravitaciono okruženje koje nije ograničeno na kratke vremenske intervale kao u eksperimentima u kuli za slobodan pad.

Laser u svemiru

Da bi postigao svoj cilj, tim je ohladio oko 20.000 atoma rubidijuma pomoću laserskog i evaporativnog hlađenja (koje uklanja atome sa višom energijom) kako bi stvorio kondenzat u ODT-u. Gradijent magnetnog polja takođe je poboljšao početno hlađenje, stvorivši kondenzat manje osetljiv na magnetne smetnje. Zatim su premestili atome u širu optičku zamku i oslabili njeno ograničenje kako bi smanjili energiju širenja. Potom su izmerili širenje oblaka u tri dimenzije.

Izmerena ekvivalentna temperatura iznosila je 9,7 pikokelvina - četiri puta niže od prethodnog rekorda. Tim napominje da se opseg nesigurnosti oko vrednosti od 9,7 pikokelvina kreće od 7,0 do 12,9 pikokelvina. Vreme slobodnog širenja - dužina vremena tokom kojeg su mogli da prate širenje - iznosilo je 7 sekundi, što je znatno duže od vremena slobodnog širenja od 2 sekunde u eksperimentu u kuli za slobodan pad ili od 1 sekunde na Međunarodnoj svemirskoj stanici.

Šta sledi?

Mogućnost izvođenja eksperimenata na ovim novim rekordno niskim temperaturama i obavljanja merenja u dužim vremenskim okvirima otvara nove mogućnosti. Tim navodi da bi zamke sa promenljivom zapreminom takođe mogle da povećaju broj atoma dostupnih za eksperimente. Izgledi za budućnost obuhvataju proučavanje neobičnih kvantnih stanja pomoću pažljivo oblikovanih laserskih polja, kao i svemirske atomske interferometre.

Autori studije opisuju novi sistem kao moćan alat.

„Prvo, cilj mu je da omogući kvantnu simulaciju za istraživanje fizike niskih temperatura u jedinstvenom okruženju svemira. To uključuje proučavanje egzotičnih kvantnih faza, kao što su ispitivanje raspada uređenosti Tomonaga–Latingerove tečnosti u jednodimenzionalnim bozonskim sistemima i ispitivanje svojstava Boze-stakla ili fraktalnih Motovih faza u neuređenim potencijalima. Drugi mogući cilj jeste izgradnja svemirskog atomskog Mah–Cenderovog interferometra, sa potencijalom za izvođenje preciznih testova fundamentalnih principa, kao što je princip ekvivalencije“, naveli su autori studije.

(Telegraf Nauka/Phys.org)