Бозе-конденсат на МКС показав рекордний час вільного розширення

Вчені з Лабораторії холодних атомів NASA вперше виміряли конденсат Бозе - Ейнштейна з атомів рубідію-87 на МКС в умовах постійної невагомості (мікрогравітації). Як повідомляється в, мікрогравітація дозволила досягти рекордних характеристик конденсату: час вільного розширення після вимкнення пастки перевищив секунду, а ефективна температура опустилася нижче нанокельвіна.

Конденсатом Бозе - Ейнштейна називають такий агрегатний стан речовини, при якому помітна частка атомів знаходиться в найбільш низькоенергетичному квантовому стані, або основному стані. При цьому ці атоми поводяться як єдиний квантовий об'єкт із загальною хвильовою функцією. Конденсат Бозе - Ейнштейна виникає в розрідженому газі частинок-бозонів при охолодженні нижче критичної температури. Ця температура залежить від фундаментальних фізичних констант (постійна Планка, постійна Больцмана), також вона назад пропорційна масі одиночного бозона m і прямо пропорційна n^2/3, де n - концентрація бозонів в газі.

На відміну від інших макроскопічних квантових явищ, пов'язаних з бозе-конденсацією - надплинності та надпровідності - всебічне вивчення яких почалося в першій половині XX століття, контрольовано отримати конденсат з хмари окремих атомів виявилося складним завданням. Атоми набагато масивніше куперівських пар, що відповідають за надпровідність, тому критична температура конденсації в атомному газі на порядки нижче, ніж температура переходу металу в надпровідний стан.

Вперше вчені з університету Колорадо змогли отримати конденсат атомів рубідію-87 в 1995 році за допомогою винайденої в 1980-х методики лазерного охолодження і магнітного споконвічного охолодження. Конденсація сталася при температурі близько 170 нанокельвін. Кількома місяцями пізніше в тому ж році група вчених з MIT створила бозе-конденсат з атомів натрію-23 і в тому числі показала квантову інтерференцію між двома різними конденсатами.

Конденсат вкрай чутливий до впливу гравітації, яка може вибивати атоми з пастки і перешкоджати ефективному охолодженню. Ця чутливість дозволяє використовувати конденсат Бозе - Ейнштейна для інерційних акселерометрів з чутливістю менше 10^-3 g. Розробку і вдосконалення таких сенсорів вкрай зручно проводити в умовах мікрогравітації (невагомості), яка також сприяє збільшенню числа атомів у конденсаті і подальшому зниженню його температури.

У минулому вчені робили чимало зусиль для компенсації гравітаційного поля Землі, що діє на конденсат. Як правило, ці рішення були досить громіздкими і вимагали використання спеціальних ліфтів, створення ультрависоковакуумних камер 10-метрової висоти або міцних установок, які вільно падали зі 120-метрової висоти всередині вежі падіння (яка знаходиться в центрі прикладних космічних технологій і мікрогравітації (ZARM) Бременського університету) і могли витримати перевантаження до 50g. В одному з останніх експериментів вчені вивчали конденсат рубідію-87 у невагомості за допомогою розміщення установки на борту метеорологічної MAIUS-1, яка піднялася на висоту понад 240 кілометрів і провела у вільному падінні близько шести хвилин. Наступний логічний крок у цьому напрямку - виведення повноцінної експериментальної установки на МКС (тобто на низьку навколоземну орбіту) для довготривалого вивчення конденсату в умовах невагомості.

Вчені з Лабораторії холодних атомів NASA під керівництвом Роберта Томпсона (Robert J. Thompson) продемонстрували результати вимірювань конденсату в повністю автономній установці EXPRESS, яка була доставлена на МКС в 2018 році, а потім розгорнута і запущена за допомогою астронавтів. Конденсат, отриманий на МКС у поточному експерименті, демонструє низку особливостей: він складається з більшого числа атомів, містить атоми в немагнітному стані і час розширення у вільному стані для конденсату перевищує секунду.

Крім безпосередньо конденсату, що утворюється добре утримуваними атомами в стані з проекцією магнітного моменту на напрямок утримуючого поля m_F = 2, вчені змогли побачити хмару атомів в немагнітному стані з mF = 0, яка зазвичай не утворюється в конденсаті рубідія-87 в земних умовах. Зазвичай найбільший вплив на ці атоми робить гравітація, але в умовах невагомості цей вплив по суті відсутній: гравітація однакова для всіх об'єктів на орбіті і не зміщує атоми відносно пастки.

Невеликий магнітний момент атомів з m_F = 0 виникає через квадратичний ефект Зеемана і пропорційний квадрату магнітного поля. Дослідники змогли виявити зміщення немагнітної хмари за рахунок сили, яка діє на малий магнітний момент при ненульовому поперечному градієнті магнітного поля ∇B. Після вимикання пастки основна хмара конденсату легко зміщується поздовжнім магнітним полем, але хмара немагнітних атомів зсувається тільки при значному збільшенні поперечного градієнта.

Атомна хмара в невагомості містила приблизно 49 тисяч атомів, і 26 відсотків з них становили безпосередньо конденсат. Це втричі більше, ніж кількість атомів у конденсаті, отриманому в цій же установці на Землі. Вимірювання ширини хмари, що сконденсувалася, дозволило оцінити, що температура конденсату в захопленому стані становить 17 нанокельвін.

Режим вільного конденсату дозволив повною мірою продемонструвати переваги невагомості. Для цього вчені перевели атоми сформованого конденсату в немагнітний стан і спостерігали вільне розширення хмари протягом 1,2 секунди. З цих спостережень фізики визначили швидкість зміщення центру мас через залишкові впливи, а також зіставили швидкість розширення хмари з тепловим розширенням. Температура склала 231 пікокельвін для розширення в площині чіпа (докладніше про пристрій пастки) і 720 пікокельвін для розширення в перпендикулярному чіпу напрямку.

Автори вважають, що їх результати переконливо ілюструють переваги вивчення бозе-ейнштейновського конденсату в умовах постійної невагомості і сподіваються, що в найближчому майбутньому вийде реалізовувати незвичайні конфігурації атомів в конденсаті («оболонка міхура»), а також досліджувати застосовність конденсату для створення атомних сферичних лазерів.

Вимірювання на виведеній на орбіту установці неможливі без повної автоматизації експерименту. Раніше вчені навчили штучний інтелект керувати процесом охолодження атомів для отримання конденсату Бозе - Ейнштейна. Нещодавно ми також публікували матеріал «Квантові кентаври» про те, як бозе-ейнштейновський конденсат утворюється з поляритонів.