Čína prekonala rekord západných vedcov. Vo vesmíre dosiahli niečo, čo sa ešte nikomu nepodarilo

Čínski vedci dosiahli na palube vesmírnej stanice Tiangong historický míľnik v oblasti kvantovej fyziky. Použitím pokročilých laserových a odparovacích chladiacich techník v podmienkach mikrogravitácie dokázali ochladiť oblak atómov rubídia na rekordnú teplotu 9,7 pikokelvina.

Hodnota na tak nízkej úrovni predstavuje približne štvrtinu predchádzajúceho svetového rekordu a otvára úplne nové možnosti pre presné kvantové merania aj testovanie základných fyzikálnych zákonov vo vesmíre, upozorňuje Interesting Engineering.

Pomohol neobyčajný prístup

Základom celého experimentu bolo vytvorenie Boseho-Einsteinovho kondenzátu (BEC), čo je špecifický stav hmoty, v ktorom sa atómy pri teplotách blízkych absolútnej nule prestávajú správať ako samostatné častice a začínajú sa správať kolektívne ako jedna obrovská kvantová vlna.

V podmienkach Zeme však výskumu tohto stavu výrazne bráni gravitácia. Zemská príťažlivosť ťahá atómy v pasci smerom nadol, čo neumožňuje ich dlhodobé voľné pozorovanie pri znižovaní záchytného potenciálu. Na Zemi sa síce využíva magnetická levitácia, no tá vyžaduje, aby mali všetky atómy rovnaký vnútorný spinový stav.

Čínsky tím sa namiesto toho spoľahol na optickú dipólovú pascu vytvorenú zo zameraných laserových lúčov v kombinácii s orbitálnym prostredím. Začali s približne 20 000 atómami rubídia. V prvom kroku použili laserové chladenie na spomalenie pohybu atómov a následne odparovacie chladenie, ktoré odstránilo najenergetickejšie častice. Na podporu počiatočného chladenia a zníženie citlivosti kondenzátu voči magnetickým poruchám použili aj gradient magnetického poľa.

Kľúčový technologický posun nastal vo fáze uvoľňovania. Vedci presunuli kondenzát do širšej optickej pasce a postupne znižovali intenzitu jej záchytu. Týmto spôsobom eliminovali vnútornú energiu, ktorá by inak spôsobila rýchlu expanziu oblaku po jeho úplnom vypustení.

Po uvoľnení z laserovej pasce dokázali výskumníci sledovať pohyb a expanziu oblaku atómov v troch dimenziách po dobu až siedmich sekúnd. Práve z rýchlosti tejto expanzie pozdĺž troch osí vypočítali ekvivalentnú teplotu 9,7 pikokelvina, pričom interval neistoty merania bol stanovený na 7,0 až 12,9 pikokelvina.

Pomohli podmienky vesmírnej stanice

Pre porovnanie, predchádzajúci rekord 38 pikokelvinov bol dosiahnutý v pozemnej drop-tower veži, kde však doba voľného pádu a pozorovania trvala len dve sekundy.

Laboratórium Cold Atom Lab na Medzinárodnej vesmírnej stanici (ISS) dosiahlo teplotu 52 pikokelvinov pri sekundovej voľnej expanzii použitím magnetických polí a špeciálneho šošovkovania hmotových vĺn. Mikrogravitácia na obežnej dráhe tak čínskym vedcom poskytla podstatne dlhšie časové okno, ktoré je pre podobné merania rozhodujúce.

Dlhší čas pozorovania bez rušivých vplyvov gravitácie mení pravidlá hry. Boseho-Einsteinov kondenzát slúži ako univerzálna platforma pre kvantové simulácie. Vedci plánujú využiť precízne tvarované laserové polia na štúdium toho, ako sa rozpadá kvantové usporiadanie v jednodimenzionálnom plyne alebo ako sa atómy organizujú v neusporiadanom prostredí. Výhľadovo sa počíta aj s pascami s nastaviteľným objemom, ktoré pojmú väčší počet atómov.

Najsilnejším praktickým prísľubom tejto technológie je však vývoj vesmírneho atómového Machov-Zehnderovho interferometra. Prístroj funguje na princípe rozdeľovania a opätovného spájania atómových vĺn, vďaka čomu dokáže detegovať extrémne malé odchýlky v pohybe.

Čítajte viac z kategórie: Novinky