Ultrakolde bobler på rumstationen åbner nye veje for kvanteforskning

Produceret inde i NASAs Cold Atom Lab giver ultrakolde bobler nye muligheder for at eksperimentere med en eksotisk stoftilstand.

Siden dagene med NASA's Apollo-program har astronauter dokumenteret (og kæmpet med), hvordan væsker opfører sig anderledes i mikrotyngdekraften, end de gør på Jorden - smelter sammen til flydende kugler i stedet for bundtunge dråber. Nu har forskere demonstreret denne effekt med et meget mere eksotisk materiale:gas afkølet til næsten det absolutte nulpunkt (minus 459 grader Fahrenheit eller minus 273 grader Celsius), den laveste temperatur, stof kan nå.

Ved at bruge NASA's Cold Atom Lab, den første kvantefysikfacilitet nogensinde ombord på den internationale rumstation, tog forskerne prøver af atomer afkølet til en milliontedel af en grad over det absolutte nulpunkt og formede dem til ekstremt tynde, hule kugler. Den kolde gas starter ud i en lille, rund klat, som en æggeblomme, og skulptureres til noget mere som en tynd æggeskal. På Jorden falder lignende forsøg fladt:Atomerne samler sig nedad og danner noget tættere på en kontaktlinse end en boble.

Milepælen – beskrevet i et nyt papir offentliggjort online onsdag den 18. maj i tidsskriftet Nature —er kun muligt i mikrogravitationsmiljøet på rumstationen.

De ultrakolde bobler kunne med tiden bruges i nye former for eksperimenter med et endnu mere eksotisk materiale:en femte stoftilstand (adskilt fra gasser, væsker, faste stoffer og plasmaer) kaldet et Bose-Einstein-kondensat (BEC). I en BEC kan forskere observere atomernes kvanteegenskaber i en skala, der er synlig for det blotte øje. For eksempel opfører atomer og partikler sig nogle gange som faste genstande og nogle gange som bølger - en kvanteegenskab kaldet "bølge-partikel dualitet."

Arbejdet kræver ingen astronautassistance. De ultrakolde bobler er lavet inde i Cold Atom Labs tæt forseglede vakuumkammer ved hjælp af magnetiske felter til forsigtigt at manipulere gassen til forskellige former. Og selve laboratoriet – som er omtrent på størrelse med et minikøleskab – fjernbetjenes fra JPL.

De største bobler er omkring 1 millimeter i diameter og 1 mikron tykke (det er en tusindedel af en millimeter eller 0,00004 tommer). De er så tynde og fortyndede, at kun tusindvis af atomer omfatter dem. Til sammenligning indeholder en kubikmillimeter luft på Jorden et sted omkring en milliard billioner molekyler.

"Disse er ikke som dine gennemsnitlige sæbebobler," sagde David Aveline, hovedforfatter på det nye værk og medlem af Cold Atom Labs videnskabsteam ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i det sydlige Californien. "Intet, som vi kender til i naturen, bliver så koldt som de atomare gasser, der produceres i Cold Atom Lab. Så vi starter med denne meget unikke gas og studerer, hvordan den opfører sig, når den formes til fundamentalt forskellige geometrier. Og historisk set, når et materiale manipuleres på denne måde kan meget interessant fysik opstå, såvel som nye applikationer."

Hvorfor det "betyder noget"

At udsætte materialer for forskellige fysiske forhold er centralt for at forstå dem. Det er også ofte det første skridt til at finde praktiske anvendelser for disse materialer.

Udførelse af disse typer eksperimenter på rumstationen ved hjælp af Cold Atom Lab gør det muligt for forskere at fjerne virkningerne af tyngdekraften, som ofte er den dominerende kraft, der påvirker væskers bevægelse og adfærd. Ved at gøre det kan forskerne bedre forstå de andre faktorer, der spiller ind, såsom en væskes overfladespænding eller viskositet.

Nu hvor forskerne har skabt de ultrakolde bobler, vil deres næste skridt være at overføre den ultrakolde gas, der udgør boblerne, til BEC-tilstanden og se, hvordan den opfører sig.

"Noget teoretisk arbejde tyder på, at hvis vi arbejder med en af ​​disse bobler, der er i BEC-tilstanden, kan vi muligvis danne hvirvler - dybest set små hvirvler - i kvantematerialet," sagde Nathan Lundblad, professor i fysik ved Bates College i Lewiston, Maine, og hovedefterforskeren af ​​den nye undersøgelse. "Det er et eksempel på en fysisk konfiguration, der kunne hjælpe os med at forstå BEC-egenskaber bedre og få mere indsigt i kvantestofs natur."

Kvantevidenskabens felt har ført til udviklingen af ​​moderne teknologier såsom transistorer og lasere. Kvanteundersøgelser udført i Jordens kredsløb kan føre til forbedringer i rumfartøjers navigationssystemer og sensorer til at studere Jorden og andre solsystemlegemer. Ultrakolde atomfaciliteter har været i drift på Jorden i årtier; men i rummet kan forskere studere ultrakolde atomer og BEC'er på nye måder, fordi virkningerne af tyngdekraften reduceres. Dette gør det muligt for forskere regelmæssigt at nå koldere temperaturer og observere fænomener længere, end de kan på Jorden.

"Vores primære mål med Cold Atom Lab er grundlæggende forskning - vi ønsker at bruge rumstationens unikke rummiljø til at udforske materiens kvantenatur," sagde Jason Williams, projektforsker for Cold Atom Lab ved JPL. "At studere ultrakolde atomer i nye geometrier er et perfekt eksempel på det." + Udforsk yderligere

En varm rumstation velkommen til cool ny hardware