Rekord zimna ustanowiony na chińskiej stacji kosmicznej Tiangong dotyczy chmury około 20 tysięcy atomów rubidu. Badacze uzyskali temperaturę równoważną wynoszącą 9,7 pikokelwina — wartość około czterokrotnie niższą od poprzedniego rekordu. Atomy rozpraszały się tak wolno, że można było obserwować je przez siedem sekund po uwolnieniu. Właśnie ten dodatkowy czas może okazać się szczególnie cenny dla precyzyjnych eksperymentów kwantowych.
Rekord zimna oznacza wyjątkowo powolny ruch atomów
Wynik opisany w czasopiśmie „Science” wynosi 0,0000000000097 kelwina. Naukowcy określili go na podstawie tempa rozszerzania się uwolnionej chmury atomowej.
Kluczowe jest tutaj słowo „równoważna”. Badacze zmierzyli ruch atomów, wyznaczyli energię związaną z ekspansją chmury i wyrazili ją w jednostkach temperatury. Nie oznacza to, że do takiej wartości schłodzono całą aparaturę, wnętrze stacji czy otaczającą ją przestrzeń.
Autorzy przedstawiają rezultat jako najniższą temperaturę równoważną zmierzoną dotąd w tego rodzaju układzie ultrazimnych atomów. Eksperyment łączy ten wynik z siedmiosekundową obserwacją swobodnej ekspansji.
Skąd porównanie z temperaturą Wszechświata?
Przestrzeń kosmiczną przenika mikrofalowe promieniowanie tła — pozostałość po gorącym, wczesnym Wszechświecie, który powstał około 13,8 miliarda lat temu. Temperatura tego promieniowania wynosi dziś około 2,7 kelwina, czyli −270,45°C.
To właśnie do tej wartości odnosi się porównanie mówiące o temperaturze około 280 miliardów razy niższej. Jest ono wykonane w bezwzględnej skali Kelvina.
Nie znaczy to, że wszystkie obiekty w kosmosie mają temperaturę 2,7 kelwina. Gwiazdy, planety czy obłoki gazu znajdują się w bardzo różnych warunkach. Promieniowanie tła stanowi jednak użyteczny punkt odniesienia dla skali osiągnięcia.
Zero absolutne odpowiada 0 kelwinów, czyli −273,15°C. Zbliżanie się do tej granicy wymaga coraz bardziej wymagających metod, a jej osiągnięcie w skończonym procesie chłodzenia jest niemożliwe.
Chmura atomów zachowująca się jak wspólna fala
Naukowcy wykorzystali rubid-87, izotop często stosowany w doświadczeniach z ultrazimnymi atomami. Przy odpowiednio niskiej temperaturze może on utworzyć kondensat Bosego–Einsteina.
W takim stanie wiele atomów zajmuje wspólny stan kwantowy. Ich zachowanie można opisywać jako spójną falę materii, zamiast traktować układ wyłącznie jako zbiór niezależnych cząstek.
Kondensaty pozwalają badać zjawiska kwantowe w skali większej niż pojedynczy atom. Są również obiecującym narzędziem pomiarowym, ponieważ można bardzo dokładnie kontrolować ich przygotowanie i obserwować reakcje na niewielkie oddziaływania.
Nowe doświadczenie przeprowadzono w urządzeniu Cold Atom Physics Rack na stacji Tiangong. W pracach uczestniczyły zespoły z Uniwersytetu Pekińskiego oraz Chińskiej Akademii Nauk, między innymi pod kierunkiem Xiaoji Zhou, Xuzonga Chena i Weibiao Chena.
Dlaczego badacze przenieśli chłodzenie na orbitę?
Na Ziemi grawitacja ogranicza możliwości pracy z bardzo słabo uwięzionymi atomami. Osłabianie pułapki pomaga zmniejszać ich energię, ale jednocześnie utrudnia utrzymanie chmury. Po uwolnieniu atomy opadają, co ogranicza czas obserwacji.
Stacja orbitalna wraz z aparaturą i próbką znajduje się w ciągłym swobodnym spadku wokół Ziemi. Powstają dzięki temu warunki mikrograwitacji, pozwalające słabiej więzić atomy i dłużej śledzić ich ruch.
Takie możliwości wykorzystywano już wcześniej. W 2018 roku należące do NASA laboratorium Cold Atom Lab wytworzyło na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej kondensaty z atomów rubidu o temperaturach sięgających 100 nanokelwinów.
Poprzedni rekord temperatury równoważnej, wynoszący 38 pikokelwinów, uzyskano natomiast podczas eksperymentu w wieży swobodnego spadku w Bremie. Wynik opisano w 2021 roku. Najnowszy pomiar z Tiangong jest od niego około czterokrotnie niższy.
Najpierw trzeba było pomóc najgorętszym atomom uciec
Pierwsze etapy doświadczenia obejmowały chłodzenie laserowe i utrzymywanie atomów w pułapce optycznej. Następnie zastosowano chłodzenie przez odparowanie.
Mechanizm polega na usuwaniu najbardziej energetycznych atomów. Pozostała część próbki ma dzięki temu niższą średnią energię. Podobna zasada sprawia, że parowanie pomaga ostygnąć gorącemu napojowi.
W mikrograwitacji pojawiła się jednak trudność: brakowało siły, która na Ziemi ułatwia najbardziej energetycznym atomom opuszczanie pułapki. Badacze zastosowali więc gradient pola magnetycznego, wywierający na atomy dodatkową siłę.
Nie odtworzyli ziemskiej grawitacji. Uzyskali potrzebny efekt jej działania w konkretnym etapie chłodzenia. W ten sposób przygotowali kondensat zawierający około 20 tysięcy atomów, schłodzonych do około 3,1 nanokelwina.
Druga pułapka pozwoliła ograniczyć ekspansję chmury
Kolejnym krokiem było przeniesienie kondensatu do szerszej pułapki laserowej. Badacze odpowiednio osłabiali jej działanie, ograniczając energię późniejszego rozszerzania się próbki.
Na końcu wyłączyli pułapkę i obserwowali swobodny ruch atomów. Chmura pozostawała wykrywalna przez siedem sekund.
To z pomiarów jej powolnej ekspansji wyznaczono rekordową temperaturę równoważną 9,7 pikokelwina. W tym doświadczeniu wyjątkowo niska energia rozszerzania się chmury i długi czas obserwacji są równie ważne jak sama liczba opisująca rekord.
Siedem sekund może pomóc sprawdzać prawa fizyki
Jednym z najważniejszych kierunków zastosowania takich próbek jest interferometria atomowa. Wykorzystuje ona falowe właściwości materii do wykrywania bardzo małych zmian, między innymi przyspieszenia i oddziaływania grawitacyjnego.
Im wolniej chmura się rozprasza, tym dłużej można z nią pracować. To stwarza warunki do zwiększania czułości przyszłych instrumentów.
Badacze wskazują między innymi na możliwość dokładniejszych testów zasady równoważności — zgodnie z którą różne obiekty powinny spadać tak samo w tych samych warunkach, niezależnie od ich masy i składu.
Orbitalna platforma może również służyć symulacjom kwantowym i badaniu egzotycznych stanów materii. Nowy rekord zimna jest zatem krokiem w stronę eksperymentów, w których słabsze oddziaływania i subtelniejsze efekty staną się łatwiejsze do uchwycenia.
Badania opublikowano w czasopiśmie Science .