Această stare cuantică ciudată a materiei a fost făcută pe orbită pentru prima dată

Pe Stația Spațială Internațională, astronauții sunt fără greutate. Atomii sunt de asemenea.

Această imponderabilitate face mai ușor să studiezi o stare cuantică ciudată a materiei cunoscută sub numele de condensat Bose-Einstein. Acum, primele condens Bose-Einstein realizate pe stația spațială sunt raportate în 11 iunie Natură.

Capacitatea de a studia starea ciudată a materiei pe orbită va ajuta oamenii de știință să înțeleagă fizica fundamentală și va face posibile măsurători cuantice noi, mai sensibile, spune Lisa Wörner de la Institutul de Tehnologii Cuantice din Centrul Aerospațial German din Bremen. „Nu pot exagera importanța acestui experiment pentru comunitate”, spune ea.

Un condensat Bose-Einstein are loc atunci când anumite tipuri de atomi sunt răcite la temperaturi atât de scăzute încât capătă o stare unificată. „Este ca și cum își unesc brațele și se comportă ca un singur obiect armonios”, spune fizicianul David Aveline de la Jet Propulsion Laboratory al NASA din Pasadena, California. Pentru a produce starea ciudată a materiei pe orbită, el și colegii au creat Cold Atom Lab. care a fost instalat pe stația spațială în 2018.

Pe orbită, atomii sunt în cădere liberă, prăbușind continuu sub forța gravitației, producând o imponderabilitate ca cea resimțită de călăreți atunci când un roller coaster cade brusc. Aceste condiții, cunoscute sub numele de microgravitație, fac din stația spațială un mediu ideal pentru studierea condensului Bose-Einstein.

Pentru a face un condensat Bose-Einstein, atomii trebuie să fie răciți în timp ce sunt prinși cu câmpuri magnetice. Pe Pământ, capcana trebuie să fie suficient de puternică pentru a sprijini atomii împotriva gravitației. Deoarece nu este o preocupare în microgravitație, capcana poate fi slăbită, permițând norului de atomi să se extindă și să se răcească. Acest proces permite condensului să atingă temperaturi mai scăzute decât sunt posibile cu aceleași metode pe Pământ. În Cold Atom Lab, atomii de rubidiu au atins zecimi de miliarde de kelvin.

Aglomerări de atomi răciți (ilustrat)
În cadrul Cold Atom Lab, atomii sunt răciți treptat și condensați în nori din ce în ce mai strânși (patru aglomerații sunt prezentate în această ilustrație, devin mai strânse de jos în sus). Bobinele produc câmpuri magnetice care ajută la prinderea atomilor, în timp ce laserele (roșu) ajută la răcire.NASA

Condensații Bose-Einstein sunt deja deținătorii recordului pentru cele mai scăzute temperaturi cunoscute (SN: 13/04/15). Odată cu îmbunătățirea suplimentară a tehnicilor de răcire, oamenii de știință se așteaptă ca Cold Atom Lab să devină și mai rece, la temperaturi sub oricare dintre cele cunoscute în univers.

Un alt avantaj al microgravitației este că măsurătorile materiei bizare pot fi făcute pentru perioade mai lungi de timp. În mod normal, atomii sunt eliberați din capcană și apoi fotografiați rapid înainte ca gravitația să-i scoată din vedere. Dar în microgravitație, cercetătorii au descoperit că ar putea observa atomii eliberați până la 1,1 secunde. Pe Pământ, aceleași tehnici produc timpi de observare de aproximativ 40 de milisecunde.

Acești timpi de observare mai lungi ar putea permite măsurători mai sensibile. Atomii ar putea fi folosiți pentru a detecta forțe, inclusiv modul în care gravitația Pământului variază în timp și în diferite părți ale planetei. Experimentele viitoare pe sateliți dedicați ar putea face măsurători noi și mai sensibile ale fenomenelor precum creșterea nivelului mării.

Și materia cuantică ar putea fi folosită și pentru a testa principii fundamentale ale fizicii, cum ar fi principiul echivalenței lui Einstein (SN: 12/4/17). Aceasta este ideea că obiectele de mase sau compoziții diferite – sau, în acest caz, diferite tipuri de atomi – vor cădea din cauza gravitației în același ritm.

Experimentele anterioare au studiat condensurile Bose-Einstein pe o rachetă aruncată în spațiu care a căzut rapid înapoi pe Pământ și într-un turn care a lansat un aparat în sus și l-a lăsat să cadă înapoi. Dar durata scurtă a unor astfel de zboruri limitează câte experimente pot fi efectuate.

„Acesta este, desigur, marele avantaj” al stației spațiale, spune fizicianul Maike Lachmann de la Universitatea Leibniz din Hanovra, Germania, care a fost coautor al unui articol de perspectivă care apare în același număr al revistei. Natură. Cu aproximativ doi ani deja conectați la stația spațială, Cold Atom Lab a avut deja destul timp pentru experimente. „Pot face lucruri foarte, foarte interesante”, spune Lachmann.