Фізика
Фізика

Ультрахолодні атоми на МКС зібралися у бульбашки

Дослідники з Лабораторії холодних атомів NASA, що знаходится на Міжнародній космічній станції, вперше продемонстрували ультрахолодні атоми, зібрані у бульбашки. В умовах мікрогравітації охолоджені майже до абсолютного нуля атоми рубідію-87 в магнітній пастці утворили оболонки діаметрами до міліметра. На Землі такого досі не вдавалося утворити. Вчені дослідили термодинаміку і конфігурацію бульбашок, а у майбутньому планують подібні експерименти на навколоземній орбіті вже з конденсатом Бозе — Айнштайна. Стаття з результатами дослідження опублікована у журналі Nature.

NASA / JPL-Caltech

NASA / JPL-Caltech

На МКС охолоджують атоми?

Масштабування квантової механіки до макроскопічних розмірів є основною метою охолодження атомних газів до абсолютного нуля, де їхня хвилеподібна поведінка помітно посилюється. Так атоми поводяться як єдиний квантовий об'єкт зі спільною хвильовою функцією і у разі частинок-бозонів утворюють конденсат Бозе — Айнштайна. Він потрібен фізикам, адже робить мікроскопічні прояви поведінки окремих атомів або субатомних частинок видимими у макроскопічному масштабі. Втім, сучасні технології охолодження вже дійшли того, що їх обмежує земна гравітація. Створений у земних умовах конденсат Бозе — Айнштайна обмежує експерименти часом менше секунди, адже впіймані у пастку атоми під дією гравітації швидко її покидають.

У спробах компенсувати дію гравітаційного поля Землі вчені використовували 10-метрові у висоту камери надвисокого вакууму, башти, які можуть забезпечити принаймні 120 метрів вільного падіння, та навіть підіймали атоми на 240 кілометрів вгору, звідки вони потрапили в умови мікрогравітації на шість хвилин. І спростити життя вченим покликана відкрита у липні 2018 року під керівництвом Лабораторії реактивного руху NASA на Міжнародній космічній станції (МКС) Лабораторія холодних атомів (Cold Atom Lab). На навколоземній орбіті вже вдалося забезпечити конденсату Бозе — Айнштайна із атомів рубідію-87 ефективну температуру нижче нанокельвіна, а час вільного розширення після вимикання пастки сягнув більше секунди.

Тепер це тисячі годин експериментів з атомами та реалізація всього задуманого теоретично. А зокрема — бульбашок з ультрахолодних атомів, чим і зайнялися дослідники цього разу.

Чип, на якому створюють «космічні» ультрахолодні атоми. NASA

Чип, на якому створюють «космічні» ультрахолодні атоми. NASA

Навіщо робити з ультрахолодних атомів бульбашки?

Вивчення ультрахолодних атомних газів історично спрямовувалося дослідженнями геометрії, багатовимірності і топології. Щоразу, коли розширювався простір параметрів розмірності та геометрії, відкривалася нова цікава фізика. Розширення розуміння фізики конденсату Бозе — Айнштайна до нових геометрій та топологій має довгу та різноманітну історію у фізиці ультрахолодного атома. І однією з нових і досі не вивчених експериментально геометрій для нього є бульбашка, у якій конденсат обмежений поверхнею еліпсоподібної оболонки. Вивчення цієї геометрії могло б дати глибше уявлення про безліч сфер фізики: від квантових вихорів до розширення Всесвіту за законом Габбла.

Методи створення бульбашок з ультрахолодних атомів відомі ще з 2000-х років, однак досі земна гравітація заважала їхньому втіленню. Тепер, отримавши доступ до МКС, фізики скористалися одним з них — радіочастотне керування впійманими у магнітну пастку атомами рубідію-87.

Як зібрали бульбашки?

Перш ніж почати експерименти, вчені мали підлаштувати під них магнітну пастку на МКС. Лабораторія, до слова, керується дистанційно з Землі і не вимагає втручання безпосередньо з МКС. Зазвичай у магнітну пастку потрапляють ансамблі з десяти тисяч атомів рубідію-87, які охолоджуються лазером до температури кількох нанокельвінів. Їх захоплює магнітне поле та відправляє на поверхню чипа, де їх додатково охолоджують через радіочастотне випромінювання, яке змушує найбільш енергійні атоми покидати пастку і так знижувати загальну температуру у ній. Для створення бульбашок вчені мали відвести охолоджені до -273 градусів за Цельсієм атоми від стінок вакууму та утримувати їх на відстані приблизно 700 мікрометрів від поверхні чипа.

Щоб надати атомам бульбашкоподібної форми, фізики мали «одягнути» їх — перевести у стан, коли частинка, потрапляючи у підготовлене для неї поле, втрачає свою кінетичну енергію, уповільнюється та «одягається» у це поле, набуваючи його стану. Затим атоми стають просторово залежними і зміну поля можна використати для налаштування їх таким чином, щоб вони утворили бульбашку потрібного розміру і товщини. Втім, варто зазначити, що через особливості пастки, бульбашка буде більше схожа на еліпс.

Схема приготування атомних бульбашок. R. A. Carollo et al. / Nature, 2022

Схема приготування атомних бульбашок. R. A. Carollo et al. / Nature, 2022

Отже, у створенні бульбашок брали участь приготовані у стані з найбільшою енергією близько мінімуму постійного магнітного поля (синя крива на рисунку вище). Затим частоту радіоджерела налаштували за цим «дном пастки» та лінійно збільшували на кілогерц кожну мілісекунду, що і мало вибудувати атоми потрібним чином.

Затим дію як магнітного, так і радіочастотного поля припинили, а утворену хмару атомів візуалізували методом абсорбційної візуалізації, за якого атомна хмара висвітлюється резонансним із нею лазерним променем.

Якими вийшли бульбашки?

Послідовність «надування» бульбашок з хмари атомів з різними початковими температурами і частотами: у 100 нанокельвінів (а), 300 нанокельвінів (b) і 400 нанокельвінів (с). R. A. Carollo et al. / Nature, 2022

Послідовність «надування» бульбашок з хмари атомів з різними початковими температурами і частотами: у 100 нанокельвінів (а), 300 нанокельвінів (b) і 400 нанокельвінів (с). R. A. Carollo et al. / Nature, 2022

Найбільші бульбашки мали діаметр близько 1 міліметра та товщину 1 мікрон. Вони настільки тонкі і розріджені, що складаються лише з кількох тисяч атомів. Отримані на МКС структури атомних оболонок збіглися із передбаченнями моделювання. Наступним кроком вчені називають переведення таких бульбашок у стан конденсату Бозе — Айнштайна.

Еволюція бульбашки після прибирання радіочастотного поля. R. A. Carollo et al. / Nature, 2022

Еволюція бульбашки після прибирання радіочастотного поля. R. A. Carollo et al. / Nature, 2022

Про охолодження атоми на МКС ми ще не розповідали, однак на Землі фізики охоче охолоджують багато чого. І атоми охолоджують змішуванням без змішування, і 40-кілограмові дзеркала обсерваторії LIGO до температури 77 нанокельвінів, і важкі нейтральні молекули в електростатичних пастках, і навіть антиматерію вже більш звичним лазерним охолодженням.


Фото в анонсі: NASA / JPL-Caltech