Материјата има двојна природа; сè постои и како честичка и како бран. На температура блиску до апсолутната нула, брановата природа на атомите станува забележлива со зрачење во видлив опсег. При такви ултраладни температури во опсегот наноКелвин, атомите се спојуваат во еден поголем ентитет и преминуваат во петтата состојба наречена Бозе Ајзенштајн кондензат (BEC) кој се однесува како бран во голем пакет. Како и сите бранови, атомите во оваа состојба го прикажуваат феноменот на интерференција и моделите на интерференција на атомските бранови може да се проучуваат во лаборатории. Атомските интерферометри распоредени во микрогравитациската средина на вселената делуваат како исклучително прецизен сензор и даваат можност за мерење на повеќето слаби забрзувања. Лабораторијата за ладен атом (CAL) со големина на мини фрижидер што орбитира околу Земјата на Меѓународната вселенска станица (ISS) е истражувачка установа за проучување на ултра-ладни квантни гасови во микрогравитациската средина на вселената. Тој беше надграден со атомски интерферометар пред неколку години. Според извештајот објавен на 13 август 2024 година, истражувачите успешно спроведоа експерименти со пронаоѓач на патеки. Тие можеа да ги измерат вибрациите на ISS со помош на трипулсен интерферометар Mach-Zehnder на одборот CAL. Ова беше првпат квантен сензор да се користи во вселената за да ги открие промените во непосредната околина. Вториот експеримент вклучуваше употреба на Ремзи-бранова интерферометрија за да се манифестираат шеми на пречки во едно возење. Моделите можеа да се набљудуваат за повеќе од 150 ms време на слободно проширување. Ова беше најдолгата демонстрација на брановата природа на атомите при слободен пад во вселената. Истражувачкиот тим, исто така, го измери ласерскиот фотонски повраток на Браг како демонстрација на првиот квантен сензор со помош на атомска интерферометрија во вселената. Овие случувања се значајни. Како најпрецизни сензори, интерферометрите базирани на вселенско ултраладно атом може да мерат екстремно слаби забрзувања, па оттука им нудат можности на истражувачите да ги истражуваат прашањата (како што се темната материја и темната енергија, асиметрија материја-анти-материја, обединување на гравитацијата со други полиња) дека Општата релативност и Стандардниот модел на физиката на честичките не можат да ја објаснат и пополнат празнината во нашето разбирање за универзумот.
Брановите го прикажуваат феноменот на интерференција, т.е., два или повеќе кохерентни бранови се комбинираат за да доведат до резултат на бран кој може да има поголема или помала амплитуда во зависност од фазите на комбинираните бранови. Во случај на светлина, гледаме резултантни бранови во форма на темни и светли рабови.
Интерферометријата е метод за мерење на карактеристиките со помош на феноменот на интерференција. Тоа вклучува разделување на ударниот бран на два зраци кои патуваат различни патеки, а потоа се комбинираат за да формираат резултантна шема на пречки или рабови (во случај на светлина). Резултантната шема на пречки е чувствителна на промените во условите на патеките на патувањето на зраците, на пример, секоја промена во должината на патеката на патувањето или во кое било поле во однос на брановата должина влијае на шемата на пречки и може да се користи за мерења.
бран де Брољ или материјален бран
Материјата има двојна природа; постои и како честичка и како бран. Секоја подвижна честичка или предмет има бранова карактеристика дадена со равенката на Де Брољ
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
каде што λ е бранова должина, h е Планкова константа, m е маса, v е брзина на честичката, p е моментум, K е Болцманова константа, а T е температура во Келвин.
Термичката бранова должина на де Брољ е обратно пропорционална на квадратниот корен на температурата во келвин што значи дека λ ќе биде поголем при пониска температура.
Проучување на ултра ладни атомски бранови
За типичен атом, брановата должина на де Брољ на собна температура е по редослед на ангстром (10-10 м) т.е. 0.1 нанометар (1 nm=10-9 м). Зрачењето со дадена бранова должина може да разреши детали во ист опсег на големина. Светлината не може да разреши детали помали од нејзината бранова должина, затоа типичен атом на собна температура не може да се слика со помош на видлива светлина која има бранова должина во опсег од околу 400 nm до 700 nm. Рендгенските зраци можат да направат поради брановата должина на опсегот на ангстром, но неговата висока енергија ги уништува самите атоми што треба да ги набљудува. Затоа, решението лежи во намалувањето на температурата на атомот (под 10-6 келвин) така што брановите должини на атомите на де Брољ се зголемуваат и стануваат споредливи со брановите должини на видливата светлина. При ултра ниски температури, брановата природа на атомите станува мерлива и релевантна за интерферометријата.
Бидејќи температурата на атомите дополнително се намалува во опсегот на нанокелвин (10-9 келвин) се движат до околу 400 nK, атомските бозони преминуваат во петтата состојба материја наречена Бозе-Ајнштајн кондензат (пр.н.е.). При такви ултра ниски температури близу апсолутна нула кога термичките движења на честичките стануваат крајно занемарливи, атомите се спојуваат во еден поголем ентитет кој се однесува како бран во голем пакет. Оваа состојба на атомите им дава можност на истражувачите да ги проучуваат квантните системи на макроскопска скала. Првиот атом пред нашата ера е создаден во 1995 година во гас од атоми на рубидиум. Оттогаш, оваа област забележа многу подобрувања во технологијата. На молекуларна BEC на молекули на NaCs неодамна беше создаден на ултраладна температура од 5 наноКелвини (nK).
Условите на микрогравитација во вселената се подобри за квантно механичко истражување
Гравитацијата во лабораториите базирани на земјата бара употреба на магнетна стапица за да ги држи атомите на место за ефективно ладење. Гравитацијата исто така го ограничува времето на интеракција со BEC во копнените лаборатории. Формирањето на BEC во микрогравитациската средина на вселенските лаборатории ги надминува овие ограничувања. Микрогравитациското опкружување може да го зголеми времето на интеракција и да ги намали нарушувањата од применетото поле, а со тоа подобро да го поддржи квантното механичко истражување. BCE сега рутински се формираат под услови на микрогравитација во вселената.
Лабораторија за ладен атом (CAL) на Меѓународната вселенска станица (ISS)
Лабораторијата за ладен атом (CAL) е истражувачка постројка со повеќе корисници со седиште во Меѓународната вселенска станица (ISS) за проучување на ултра-ладни квантни гасови во микрогравитациската средина на вселената. CAL се управува од далечина од оперативниот центар во Лабораторијата за млазен погон.
Во овој вселенски објект, можно е да има време на набљудување над 10 секунди и ултраладни температури под 100 пикоКелвин (1 pK= 10-12 Келвин) за проучување на квантните појави.
Лабораторијата за ладен атом беше лансирана на 21 мај 2018 година и беше инсталирана на ISS кон крајот на мај 2018 година. беше создадена петта состојба на материјата во орбитата на Земјата. Подоцна, објектот беше надграден по распоредувањето на ултраладните атомски интерферометри.
CAL постигна многу пресвртници во последните години. Кондензатите на Рубидиум Бозе-Ајнштајн (BEC) беа произведени во вселената во 2020 година. Исто така, беше докажано дека микрогравитациската средина е поволна за експеримент со ладен атом.
Минатата година, во 2023 година, истражувачите произведоа двојни видови BEC формирани од 87Rb и 41К и демонстрираа симултана атомска интерферометрија со два атомски видови за прв пат во вселената во лабораторијата на ладен атом. Овие достигнувања беа важни за квантните тестови за универзалноста на слободен пад (UFF) во вселената.
Неодамнешниот напредок во квантните технологии засновани на вселената
Според извештајот објавен на 13 август 2024 година), вработени истражувачи 87Атоми на Rb во интерферометарот на атом CAL и успешно спроведе три експерименти за пронаоѓање патеки. Тие можеа да ги измерат вибрациите на ISS со помош на трипулсен интерферометар Mach-Zehnder на одборот CAL. Ова беше првпат квантен сензор да се користи во вселената за да ги открие промените во непосредната околина. Вториот експеримент вклучуваше употреба на Ремзи-бранова интерферометрија за да се манифестираат шеми на пречки во едно возење. Моделите можеа да се набљудуваат за повеќе од 150 ms време на слободно проширување. Ова беше најдолгата демонстрација на брановата природа на атомите при слободен пад во вселената. Истражувачкиот тим, исто така, го измери ласерскиот фотонски повраток на Браг како демонстрација на првиот квантен сензор со помош на атомска интерферометрија во вселената.
Значењето на ултраладните атомски интерферометри распоредени во вселената
Атомските интерферометри ја користат квантната природа на атомите и се екстремно чувствителни на промени во забрзувањето или полињата, па затоа имаат примена како алатки со висока прецизност. Атомските интерферометри базирани на Земјата се користат за проучување на гравитацијата и во напредните технологии за навигација.
Вселенските атомски интерферометри имаат предности на перзистентна микрогравитациска средина која нуди услови за слободен пад со многу помало влијание на полињата. Исто така, им помага на кондензатите на Бозе-Ајнштајн (BEC) да достигнат пониски температури во опсегот на пикоКелвин и да постојат подолго време. Нето ефектот е продолжено време на набљудување, па оттука подобра можност за проучување. Ова им дава на ултраладните атомски интерферометри распоредени во вселената со високопрецизни мерни способности и ги прави супер-сензори.
Ултраладните атомски интерферометри распоредени во вселената можат да детектираат многу суптилни варијации во гравитацијата што е показател за варијација во густината. Ова може да помогне во проучувањето на составот на планетарните тела и какви било промени на масата.
Високо прецизно мерење на гравитацијата, исто така, може да помогне подобро да се разбере темната материја и темната енергија и во истражувањето на суптилните сили надвор од Општата релативност и Стандардниот модел кои го опишуваат видливиот универзум.
Општата релативност и Стандардниот модел се двете теории кои го опишуваат набљудуваниот универзум. Стандарден модел на физика на честички е во основа теорија на квантно поле. Опишува само 5% од универзумот, останатите 95% се во темни форми (темна материја и темна енергија) кои не ги разбираме. Стандардниот модел не може да ги објасни темната материја и темната енергија. Не може да ја објасни и асиметријата материја-антиматерија. Слично на тоа, гравитацијата сè уште не може да се обедини со другите полиња. Реалноста на универзумот не е целосно објаснета со сегашните теории и модели. Џиновските акцелератори и опсерватории не можат да фрлат светлина врз голем дел од овие мистерии на природата. Како најпрецизни сензори, вселенските ултраладни атомски интерферометри нудат можности за истражувачите да ги истражат овие прашања за да ја пополнат празнината во нашето разбирање за универзумот.
***
Референци:
- Meystre, Pierre 1997. Кога атомите стануваат бранови. Достапно на https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- НАСА. Лабораторија за ладен атом – мисии на вселената. Достапно на https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, и сор. Набљудување на кондензатите на Бозе-Ајнштајн во истражувачка лабораторија што орбитира околу Земјата. Nature 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Елиот, ЕР, Авелин, ДЦ, Бигелоу, НП и сор. Квантни мешавини на гасови и интерферометрија на атом со двојни видови во вселената. Nature 623, 502-508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Вилијамс, Џ.Р., и сор 2024. Експерименти на Pathfinder со атомска интерферометрија во лабораторијата Cold Atom на Меѓународната вселенска станица. Nat Commun 15, 6414. Објавено: 13 август 2024 година. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Верзија за претходно печатење https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- НАСА демонстрира „ултра-кул“ квантен сензор за прв пат во вселената. Објавено на 13 август 2024 година. Достапно на https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
