На МКС получили ультрахолодное квантовое состояние вещества

Инженеры установили своеобразный рекорд, создав установку для получения конденсата Бозе-Эйнштейна размером с холодильник.
Фото NASA/JPL-Caltech.

На Международной космической станции впервые получен конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ). Этим экзотическим термином обозначается состояние вещества, при котором макроскопические по атомным меркам объекты проявляют квантовые свойства. Исследователи хотят с помощью КБЭ проверить, влияет ли на квантовые явления состояние невесомости.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно писали о том, что такое КБЭ. Это состояние было теоретически предсказано в начале XX века, но впервые получено экспериментально в 1995 году. За последнее достижение в 2001 году его создателям вручили Нобелевскую премию по физике.

КБЭ представляет собой идеальный объект для изучения квантовых явлений. Отметим, что квантовые явления – свойство микромира. Их крайне сложно изучать. А КБЭ – это макроскопическая и относительно долгоживущая система, состояние которой к тому же поддаётся тщательному контролю.

С 1995 года КБЭ сотни раз получали в земных лабораториях (и мы не раз писали о подобных исследованиях). Несколько раз это состояние также воспроизводили на борту космических ракет, проводящих на орбите Земли короткое время. Но никогда ещё его не получали на космической станции, где можно ставить эксперименты в течение нескольких лет. Между тем изучение этого явления в невесомости имеет принципиальное значение. В частности, физики хотят знать, не оказывает ли воздействия на законы квантовой механики гравитация.

В мае 2018 года на МКС был доставлен научный инструмент CAL (Cold Atom Laboratory), то есть "Лаборатория холодных атомов". Он использует стандартный способ получения КБЭ: атомы рубидия охлаждаются до температуры, близкой к абсолютному нулю (-273 oС).

Однако применить этот "обычный" способ на орбите оказалось совсем не просто, прежде всего из-за жёстких требований к габаритам установки.

"CAL – чрезвычайно сложный инструмент, – объясняет руководитель проекта Роберт Шотвелл (Robert Shotwell) из НАСА. – Обычно эксперименты [по получению] КБЭ требуют столько оборудования, что им можно заполнить комнату, и нуждаются в почти постоянном мониторинге со стороны учёных, тогда как CAL имеет размеры небольшого холодильника и может удалённо управляться с Земли".

В основе этого чуда инженерной мысли лежит очень простой принцип. Когда облако вещества расширяется без обмена энергией с окружающей средой, его температура падает, ведь запас энергии теперь распределяется по большему объёму. На Земле гравитация не даёт веществу чрезмерно расшириться, но в невесомости всё иначе.

 

Несколько дней назад при тестовом запуске CAL и был получен первый "орбитальный" КБЭ. Атомы рубидия были охлаждены до температуры, лишь на одну десятимиллионную долю градуса превышающей абсолютный нуль. Для сравнения: средняя температура в глубоком космосе выше абсолютного нуля на 3 oС.

Учёные не намерены останавливаться на достигнутом и собираются побить все температурные рекорды земных лабораторий, получавших подобное состояние вещества.

КБЭ создаётся в ловушках для атомов, создаваемых при помощи магнитных полей или лазерного излучения. После отключения такой ловушки облако атомов на Земле деформируется гравитацией, и состояние КБЭ длится лишь доли секунды. Однако в невесомости оно может сохраняться до 5–10 секунд. CAL способна повторять такие сеансы по шесть часов в день. При этом установка будет управляться с Земли, не отвлекая экипаж станции.

В настоящее время лаборатория функционирует в тестовом режиме. Планируется, что научная фаза начнётся в сентябре 2018 года и продлится три года. Помимо разнообразных экспериментов с атомами рубидия, учёные также рассчитывают создать КБЭ на основе двух изотопов калия.

Напомним, что "Вести.Наука" ранее писали о том, как с помощью этого экзотического квантового состояния удалось объяснить загадочное поведение электронов. Также мы писали об экспериментах на МКС, призванных проверить влияние гравитации на явление квантовой запутанности.

Сегодня