Mateerial on kahetine olemus; kõik eksisteerib nii osakeste kui lainetena. Absoluutsele nullile lähedasel temperatuuril muutub aatomite laineline olemus nähtavaks kiirguse kaudu nähtavaks. Sellistel ultrakülmatel temperatuuridel nanoKelvini vahemikus ühinevad aatomid üheks suuremaks üksuseks ja lähevad üle viiendasse olekusse, mida nimetatakse Bose Eisensteini kondensaadiks (BEC), mis käitub suures paketis lainetuna. Nagu kõik lained, näitavad selles olekus aatomid interferentsi nähtust ja aatomilainete interferentsimustreid saab laborites uurida. Kosmose mikrogravitatsioonikeskkonnas kasutatavad aatomiinterferomeetrid toimivad äärmiselt täpse andurina ja annavad võimaluse mõõta kõige nõrgemaid kiirendusi. Rahvusvahelise kosmosejaama (ISS) pardal ümber Maa tiirlev minikülmikusuurune Cold Atom Laboratory (CAL) on uurimisasutus ülikülmade kvantgaaside uurimiseks kosmose mikrogravitatsioonikeskkonnas. Seda täiendati paar aastat tagasi Atom Interferometeriga. 13. augustil 2024 avaldatud aruande kohaselt on teadlased edukalt läbi viinud rajaleidja katseid. Nad said mõõta ISS-i vibratsiooni, kasutades CAL-seadme pardal olevat kolme impulsi Mach-Zehnder interferomeetrit. See oli esimene kord, kui kvantandurit kasutati kosmoses, et tuvastada muutusi lähiümbruses. Teine katse hõlmas Ramsey nihkelaine interferomeetria kasutamist interferentsimustrite avaldamiseks ühe katsega. Mustrid olid vaadeldavad üle 150 ms vaba laienemise aja. See oli kosmoses vabalangevate aatomite lainelise olemuse pikim demonstratsioon. Uurimisrühm mõõtis ka Braggi laseri footonite tagasilööki, et demonstreerida esimest kvantandurit, kasutades kosmoses aatomiinterferomeetriat. Need arengud on märkimisväärsed. Kõige täpsemate anduritena suudavad kosmosepõhised ülikülma aatomi interferomeetrid mõõta äärmiselt nõrku kiirendusi, pakkudes seega teadlastele võimalusi uurida küsimusi (nagu tumeaine ja tumeenergia, aine-antiaine asümmeetria, gravitatsiooni ühendamine teiste väljadega). et üldrelatiivsusteooria ja osakeste füüsika standardmudel ei suuda seletada ega täita tühimikku meie arusaamises universumist.
Lained näitavad interferentsi nähtust, st kaks või enam koherentset lainet annavad kokku tulemuseks laine, millel võib olenevalt kombineeritud lainete faasidest olla suurem või väiksem amplituud. Valguse puhul näeme tulemuseks olevaid laineid tumedate ja heledate narmaste kujul.
Interferomeetria on meetod karakteristikute mõõtmiseks, kasutades interferentsi nähtust. See hõlmab langeva laine jagamist kaheks kiireks, mis liiguvad eri radadel, seejärel ühinevad, et moodustada interferentsmuster või ääred (valguse korral). Saadud interferentsimuster on tundlik kiirte liikumisteede tingimuste muutuste suhtes, näiteks igasugune liikumistee pikkuse või lainepikkusega seotud välja muutus mõjutab interferentsimustrit ja seda saab kasutada mõõtmiseks.
de Broglie laine või aine laine
Mateerial on kahetine olemus; see eksisteerib nii osakeste kui ka lainetena. Igal liikuval osakesel või objektil on de Broglie võrrandiga antud lainekarakteristikud
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
kus λ on lainepikkus, h on Plancki konstant, m on mass, v on osakese kiirus, p on impulss, K on Boltzmanni konstant ja T on temperatuur kelvinites.
Termiline de Broglie lainepikkus on pöördvõrdeline temperatuuri ruutjuurega kelvinites, mis tähendab, et λ on madalamal temperatuuril suurem.
Ultrakülma aatomi lainete uurimine
Tüüpilise aatomi puhul on de Broglie lainepikkus toatemperatuuril angströmi suurusjärgus (10-10 m) nimelt. 0.1 nanomeeter (1 nm = 10-9 m). Teatud lainepikkusega kiirgus suudab lahendada samas suurusvahemikus olevaid detaile. Valgus ei suuda eraldada oma lainepikkusest väiksemaid detaile, mistõttu ei saa tüüpilist aatomit toatemperatuuril kujutada nähtava valgusega, mille lainepikkus on vahemikus umbes 400 nm kuni 700 nm. Röntgenikiirgus saab hakkama oma angströmivahemiku lainepikkuse tõttu, kuid selle suur energia hävitab just need aatomid, mida ta peaks vaatlema. Seetõttu peitub lahendus aatomi temperatuuri alandamises (alla 10-6 kelvin), nii et aatomite de Broglie lainepikkused suurenevad ja muutuvad võrreldavaks nähtava valguse lainepikkustega. Ultrakülmatel temperatuuridel muutub aatomite laineline olemus mõõdetavaks ja interferomeetria jaoks oluliseks.
Kuna aatomite temperatuur väheneb veelgi nanokelvini vahemikus (10-9 kelvin) ulatub ligikaudu 400 nK-ni, aatomibosonid lähevad üle viiendasse olekusse ainesse, mida nimetatakse Bose-Einsteini kondensaadiks (BCE). Sellistel ülimadalatel temperatuuridel absoluutse nulli lähedal, kui osakeste soojusliikumine muutub äärmiselt tühiseks, ühinevad aatomid üheks suuremaks üksuseks, mis käitub suures paketis lainetuna. See aatomite olek annab teadlastele võimaluse uurida kvantsüsteeme makroskoopilisel skaalal. Esimene aatom BCE loodi 1995. aastal rubiidiumiaatomitest koosnevas gaasis. Sellest ajast alates on selle valdkonna tehnoloogiat palju täiustatud. The molekulaarne BEC NaCs molekulide kogus loodi hiljuti ülikülmal temperatuuril 5 nanoKelvinit (nK).
Mikrogravitatsioonitingimused kosmoses on kvantmehaaniliste uuringute jaoks paremad
Maapealsete laborite gravitatsioon nõuab aatomite tõhusaks jahutamiseks paigal hoidmiseks magnetlõksu. Gravitatsioon piirab ka interaktsiooniaega BEC-dega maapealsetes laborites. BEC-de moodustumine kosmosepõhiste laborite mikrogravitatsioonikeskkonnas ületab need piirangud. Mikrogravitatsioonikeskkond võib pikendada interaktsiooniaega ja vähendada rakendusväljast tulenevaid häireid, toetades seeläbi paremini kvantmehaanilist uurimistööd. BCE-d moodustuvad nüüd rutiinselt kosmose mikrogravitatsiooni tingimustes.
Külma aatomi labor (CAL) rahvusvahelises kosmosejaamas (ISS)
Cold Atom Laboratory (CAL) on rahvusvahelises kosmosejaamas (ISS) asuv mitme kasutajaga uurimisasutus ultrakülmade kvantgaaside uurimiseks kosmose mikrogravitatsioonikeskkonnas. CAL-i juhitakse kaugjuhtimisega Jet Propulsion Laboratory operatsioonikeskusest.
Selles kosmosepõhises rajatises on vaatlusajad üle 10 sekundi ja ülikülmad temperatuurid alla 100 pikoKelvini (1 pK= 10-12 Kelvin) kvantnähtuste uurimiseks.
Cold Atom Lab käivitati 21. mail 2018 ja paigaldati ISS-ile mai lõpus 2018. Bose-Einsteini kondensaat (BEC) loodi selles kosmosepõhises rajatises juulis 2018. See oli esimene kord; Maa orbiidil tekkis aine viies olek. Hiljem täiustati rajatist pärast ülikülma aatomi interferomeetrite kasutuselevõttu.
CAL on viimastel aastatel saavutanud palju verstaposte. Rubidium Bose-Einsteini kondensaate (BEC) toodeti kosmoses 2020. aastal. Samuti näidati, et mikrogravitatsioonikeskkond on külma aatomi katse jaoks kasulik.
Eelmisel aastal, 2023. aastal, tootsid teadlased kaheliigilist BEC-d, millest moodustati 87Rb ja 41K ja demonstreeris esimest korda külma aatomi laboratooriumis kosmoses samaaegset aatomi interferomeetriat kahe aatomiliigiga. Need saavutused olid olulised kosmose vaba langemise universaalsuse (UFF) kvanttestide jaoks.
Hiljutised edusammud kosmosepõhistes kvanttehnoloogiates
13. augustil 2024 avaldatud aruande kohaselt töötasid teadlased 87Rb aatomid CAL-i aatomi interferomeetris ja viisid edukalt läbi kolm raja leidmise katset. Nad said mõõta ISS-i vibratsiooni, kasutades CAL-seadme pardal olevat kolme impulsi Mach-Zehnder interferomeetrit. See oli esimene kord, kui kvantandurit kasutati kosmoses, et tuvastada muutusi lähiümbruses. Teine katse hõlmas Ramsey nihkelaine interferomeetria kasutamist interferentsimustrite avaldamiseks ühe katsega. Mustrid olid vaadeldavad üle 150 ms vaba laienemise aja. See oli pikim demonstratsioon aatomite lainelise olemuse kohta kosmoses vabalangemisel. Uurimisrühm mõõtis ka Braggi laseri footonite tagasilööki, et demonstreerida esimest kvantandurit, kasutades kosmoses aatomiinterferomeetriat.
Kosmosesse paigutatud ülikülma aatomi interferomeetrite tähtsus
Aatomite interferomeetrid kasutavad ära aatomite kvantloomust ja on ülitundlikud kiirenduse või väljade muutuste suhtes, mistõttu neid kasutatakse ülitäpsete tööriistadena. Maapealseid aatomiinterferomeetreid kasutatakse gravitatsiooni uurimiseks ja täiustatud navigatsioonitehnoloogiates.
Kosmosepõhistel aatomiinterferomeetritel on püsiva mikrogravitatsioonikeskkonna eelised, mis pakuvad vaba langemise tingimusi, millel on palju väiksem väljade mõju. Samuti aitab see Bose-Einsteini kondensaatidel (BEC) saavutada picoKelvini vahemikus külmema temperatuuri ja eksisteerida kauem. Netomõju on pikenenud vaatlusaeg, seega parem võimalus õppida. See annab kosmosesse paigutatud ülikülma aatomi interferomeetritele ülitäpse mõõtmisvõimaluse ja muudab need superanduriteks.
Kosmoses kasutatavad ülikülma aatomi interferomeetrid suudavad tuvastada väga peeneid gravitatsioonimuutusi, mis viitavad tiheduse muutumisele. See võib aidata uurida planeetide kehade koostist ja mis tahes massimuutusi.
Gravitatsiooni ülitäpne mõõtmine võib samuti aidata paremini mõista tumeainet ja tumeenergiat ning uurida üldrelatiivsusteooriast ja standardmudelist kaugemale jäävaid peeneid jõude, mis kirjeldavad vaadeldavat universumit.
Üldrelatiivsusteooria ja standardmudel on kaks teooriat, mis kirjeldavad vaadeldavat universumit. Osakeste füüsika standardmudel on põhimõtteliselt kvantväljateooria. See kirjeldab ainult 5% universumist, ülejäänud 95% on tumedates vormides (tumeaine ja tumeenergia), mida me ei mõista. Standardmudel ei suuda seletada tumeainet ja tumeenergiat. See ei saa seletada ka mateeria-antiaine asümmeetriat. Samamoodi ei saanud gravitatsiooni veel teiste väljadega ühendada. Universumi tegelikkus ei ole praeguste teooriate ja mudelitega täielikult seletatav. Hiiglaslikud kiirendid ja vaatluskeskused ei suuda suurt osa neist looduse saladustest valgust heita. Kõige täpsemate anduritena pakuvad kosmosepõhised ülikülma aatomi interferomeetrid teadlastele võimalusi nende küsimuste uurimiseks, et täita lünk meie arusaamises universumist.
***
viited:
- Meystre, Pierre 1997. Kui aatomitest saavad lained. Saadaval aadressil https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Külma aatomi labor – Universumi missioonid. Saadaval aadressil https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, et al. Bose-Einsteini kondensaatide vaatlemine Maa ümber tiirlevas uurimislaboris. Nature 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP jt. Kvantgaaside segud ja kaheliigiline aatomi interferomeetria ruumis. Nature 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Williams, JR, et al 2024. Pathfinder katsetab aatomite interferomeetriaga Cold Atom Labis rahvusvahelise kosmosejaama pardal. Nat Commun 15, 6414. Avaldatud: 13. august 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Trükieelne versioon https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- NASA demonstreerib esimest korda kosmoses ülilahedat kvantandurit. Avaldatud 13. augustil 2024. Saadaval aadressil https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***