Materie het dubbele aard; alles bestaan beide as deeltjie en golf. By 'n temperatuur naby aan absolute nul word die golfaard van atome waarneembaar deur straling in sigbare reeks. By sulke ultrakoue temperature in nanoKelvin-reeks, verenig die atome in 'n enkele groter entiteit en gaan oor na die vyfde toestand genaamd Bose Eisenstein Condensate (BEC) wat optree as 'n golf in 'n groot pakkie. Soos alle golwe, vertoon atome in hierdie toestand die verskynsel van interferensie en die interferensiepatrone van atoomgolwe kan in die laboratoriums bestudeer word. Atoominterferometers wat in mikroswaartekrag-omgewing van die ruimte ontplooi word, dien as 'n uiters presiese sensor en bied geleentheid om die meeste swak versnellings te meet. Die mini-yskasgrootte Cold Atom Laboratory (CAL) wat om die Aarde wentel aan boord van die Internasionale Ruimtestasie (ISS) is 'n navorsingsfasiliteit vir die studie van ultrakoue kwantumgasse in die mikroswaartekrag-omgewing van die ruimte. Dit is 'n paar jaar gelede opgegradeer met Atom Interferometer. Volgens die verslag wat op 13 Augustus 2024 gepubliseer is, het navorsers padvindereksperimente suksesvol uitgevoer. Hulle kon vibrasies van die ISS meet met behulp van 'n drie-puls Mach-Zehnder interferometer aan boord van CAL fasiliteit. Dit was die eerste keer dat 'n kwantumsensor in die ruimte gebruik is om veranderinge in die onmiddellike omgewing op te spoor. Die tweede eksperiment het die gebruik van Ramsey-skuifgolf-interferometrie behels om interferensiepatrone in 'n enkele lopie te manifesteer. Die patrone was waarneembaar vir meer as 150 ms vrye-uitbreidingstyd. Dit was die langste demonstrasie van die golfaard van atome in vryval in die ruimte. Die navorsingspan het ook die Bragg-laserfotonterugslag gemeet as 'n demonstrasie van die eerste kwantumsensor wat atoominterferometrie in die ruimte gebruik. Hierdie ontwikkelings is betekenisvol. As die mees presiese sensors, kan die ruimtegebaseerde ultrakoue atoom-interferometers uiters swak versnellings meet, en bied dus geleenthede vir navorsers om die vrae te verken (soos donker materie en donker energie, materie-anti-materie asimmetrie, vereniging van swaartekrag met ander velde) dat Algemene Relatiwiteit en die Standaardmodel van deeltjiefisika nie die gaping in ons begrip van heelal kan verduidelik en vul nie.
Golwe vertoon die verskynsel van interferensie, dit wil sê, twee of meer koherente golwe kombineer om aanleiding te gee tot 'n resulterende golf wat 'n hoër of laer amplitude kan hê, afhangende van die fases van die kombinerende golwe. In die geval van lig, sien ons resulterende golwe in die vorm van donker en ligte rande.
Interferometrie is 'n metode om eienskappe te meet deur die verskynsel van interferensie te gebruik. Dit behels die splitsing van die invallende golf in twee strale wat verskillende paaie beweeg en dan kombineer om gevolglike interferensiepatroon of rande te vorm (in die geval van lig). Die resulterende interferensiepatroon is sensitief vir veranderinge in die toestande van die reispaaie van die balke, byvoorbeeld enige verandering in die lengte van die reispad of in enige veld in verhouding tot golflengte beïnvloed die interferensiepatroon en kan vir metings gebruik word.
de Broglie golf of materie golf
Materie het dubbele aard; dit bestaan beide as deeltjie sowel as golf. Elke bewegende deeltjie of voorwerp het 'n golfkenmerk wat deur de Broglie-vergelyking gegee word
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
waar λ golflengte is, h Planck se konstante is, m massa is, v snelheid van die deeltjie is, p momentum is, K Boltzmann konstante is en T temperatuur in Kelvin is.
Die termiese de Broglie-golflengte is omgekeerd eweredig aan die vierkantswortel van temperatuur in kelvin wat beteken dat λ groter sal wees by laer temperatuur.
Studie van ultrakoue atoomgolwe
Vir 'n tipiese atoom is die de Broglie-golflengte by kamertemperatuur in orde van angstrom (10)-10 m) nl. 0.1 nanometer (1 nm=10-9 m). 'n Bestraling van 'n gegewe golflengte kan besonderhede in dieselfde groottereeks oplos. Lig kan nie besonderhede wat kleiner is as sy golflengte oplos nie, en daarom kan 'n tipiese atoom by kamertemperatuur nie afgebeeld word met sigbare lig wat 'n golflengte in die reeks van ongeveer 400 nm tot 700 nm het nie. X-strale kan doen as gevolg van sy Angstrom reeks golflengte, maar sy hoë energie vernietig die einste atome wat dit veronderstel is om waar te neem. Daarom lê die oplossing in die vermindering van die temperatuur van die atoom (tot onder 10-6 kelvin) sodat die de Broglie-golflengtes van die atome toeneem en vergelykbaar word met die golflengtes van sigbare lig. By ultrakoue temperature word die golfaard van die atome meetbaar en relevant vir interferometrie.
Soos die temperatuur van atome verder verlaag word in die nanokelvin-reeks (10-9 kelvin) bereik tot ongeveer 400 nK, die atoombosone gaan oor na die vyfde toestand materie genaamd Bose-Einstein kondensaat (BCE). By sulke ultra-lae temperature naby absolute nul wanneer die termiese bewegings van deeltjies uiters weglaatbaar word, smelt die atome saam tot 'n enkele groter entiteit wat as 'n golf in 'n groot pakkie optree. Hierdie toestand van atome bied geleentheid aan navorsers om kwantumstelsels op 'n makroskopiese skaal te bestudeer. Die eerste atoom BCE is in 1995 geskep in 'n gas van rubidiumatome. Sedertdien het hierdie gebied baie verbeterings in tegnologie gesien. Die molekulêre BEC van NaCs-molekules is onlangs by 'n ultrakoue temperatuur van 5 nanoKelvin (nK) geskep.
Mikroswaartekragtoestande in die ruimte is beter vir kwantummeganiese navorsing
Die swaartekrag in die aarde-gebaseerde laboratoriums vereis die gebruik van magnetiese lokval om die atome in plek te hou vir 'n effektiewe verkoeling. Swaartekrag beperk ook die interaksietyd met die BEC's in die terrestriële laboratoriums. Die vorming van BEC's in mikroswaartekrag-omgewing van ruimte-gebaseerde laboratoriums oorkom hierdie beperkings. Mikroswaartekrag-omgewing kan interaksietyd verhoog en versteurings van die toegepaste veld verminder, en sodoende kwantummeganiese navorsing beter ondersteun. BCE's word nou gereeld gevorm onder mikroswaartekragtoestande in die ruimte.
Koue Atoom Laboratorium (CAL) by die Internasionale Ruimtestasie (ISS)
Cold Atom Laboratory (CAL) is 'n multi-gebruiker navorsingsfasiliteit gebaseer by Internasionale Ruimtestasie (ISS) vir die studie van ultrakoue kwantumgasse in die mikroswaartekrag-omgewing van die ruimte. CAL word op afstand vanaf die bedryfsentrum by die Jet Propulsion Laboratory bedryf.
By hierdie ruimtegebaseerde fasiliteit is dit moontlik om waarnemingstye oor 10 sekondes te hê en die ultrakoue temperature onder 100 picoKelvin (1 pK= 10)-12 Kelvin) vir die studie van kwantumverskynsels.
Die Cold Atom Lab is op 21 Mei 2018 gelanseer en is aan die einde van Mei 2018 op die ISS geïnstalleer. ’n Bose-Einstein Condensate (BEC) is in Julie 2018 in hierdie ruimtegebaseerde fasiliteit geskep. Dit was die eerste keer; 'n vyfde toestand van materie is in die Aarde se wentelbaan geskep. Later is die fasiliteit opgegradeer na die ontplooiing van ultrakoue atoominterferometers.
CAL het die afgelope jare baie mylpale bereik. Rubidium Bose-Einstein-kondensate (BEC's) is in 2020 in die ruimte vervaardig. Daar is ook gedemonstreer dat mikroswaartekrag-omgewing voordelig is vir koue-atoom-eksperiment.
Verlede jaar, in 2023, het navorsers dubbelspesies BEC vervaardig wat gevorm is uit 87Rb en 41K en het gelyktydige atoominterferometrie met twee atoomspesies gedemonstreer vir die eerste keer in die ruimte in die Cold Atom Laboratory fasiliteit. Hierdie prestasies was belangrik vir kwantumtoetse van universaliteit van vrye val (UFF) in die ruimte.
Onlangse vooruitgang in ruimtegebaseerde kwantumtegnologieë
Volgens die verslag wat op 13 Augustus 2024 gepubliseer is, het navorsers in diens geneem 87Rb-atome in die CAL-atoominterferometer en het drie padvindeksperimente suksesvol uitgevoer. Hulle kon vibrasies van die ISS meet met behulp van 'n drie-puls Mach-Zehnder interferometer aan boord van CAL fasiliteit. Dit was die eerste keer dat 'n kwantumsensor in die ruimte gebruik is om veranderinge in die onmiddellike omgewing op te spoor. Die tweede eksperiment het die gebruik van Ramsey-skuifgolf-interferometrie behels om interferensiepatrone in 'n enkele lopie te manifesteer. Die patrone was waarneembaar vir meer as 150 ms vrye-uitbreidingstyd. Dit was die langste demonstrasie van die golfaard van atome in vryval in die ruimte. Die navorsingspan het ook die Bragg-laserfotonterugslag gemeet as 'n demonstrasie van die eerste kwantumsensor wat atoominterferometrie in die ruimte gebruik.
Belangrikheid van ultrakoue atoominterferometers wat in die ruimte ontplooi word
Atoominterferometers benut die kwantumaard van atome en is uiters sensitief vir veranderinge in versnelling of velde, en het dus toepassings as hoë-presisie gereedskap. Aardgebaseerde atoominterferometers word gebruik om swaartekrag te bestudeer en in gevorderde navigasietegnologieë.
Ruimtegebaseerde atoominterferometers het voordele van aanhoudende mikroswaartekragomgewing wat vryvaltoestande bied met baie minder invloed van velde. Dit help ook Bose-Einstein-kondensate (BEC's) om kouer temperature in picoKelvin-reeks te bereik en vir langer duur te bestaan. Die netto effek is verlengde waarnemingstyd, dus beter geleentheid om te studeer. Dit gee ultrakoue atoom-interferometers wat in die ruimte ontplooi is met hoë-presisie metingsvermoëns en maak dit supersensors.
Ultrakoue atoominterferometers wat in die ruimte ontplooi word, kan baie subtiele variasies in swaartekrag opspoor, wat 'n aanduiding is van variasie in digthede. Dit kan help met die studie van samestelling van planetêre liggame en enige massaveranderinge.
Hoë presisie meting van swaartekrag kan ook help om donker materie en donker energie beter te verstaan en in die verkenning van subtiele kragte buite Algemene Relatiwiteit en die Standaardmodel wat waarneembare heelal beskryf.
Algemene Relatiwiteit en die Standaardmodel is die twee teorieë wat waarneembare heelal beskryf. Standaardmodel van partikelfisika is basies kwantumveldteorie. Dit beskryf slegs 5 % van die heelal, die res 95% is in donker vorms (donker materie en donker energie) wat ons nie verstaan nie. Die Standaardmodel kan nie donker materie en donker energie verduidelik nie. Dit kan nie materie-antimaterie-asimmetrie ook verklaar nie. Net so kon swaartekrag nog nie met die ander velde verenig word nie. Die realiteit van die heelal word nie volledig deur die huidige teorieë en modelle verduidelik nie. Reuseversnellers en sterrewagte is nie in staat om lig te werp op baie van hierdie geheimenisse van die natuur nie. As die mees presiese sensors bied die ruimtegebaseerde ultrakoue atoominterferometers geleenthede vir navorsers om hierdie vrae te ondersoek om die gaping in ons begrip van die heelal te vul.
***
Verwysings:
- Meystre, Pierre 1997. Wanneer atome golwe word. Beskikbaar by https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Koue Atoom Laboratorium – Heelal Missies. Beskikbaar by https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, et al. Waarneming van Bose-Einstein-kondensate in 'n navorsingslaboratorium wat om die aarde wentel. Nature 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Kwantumgasmengsels en dubbelspesie-atoominterferometrie in die ruimte. Nature 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Williams, JR, et al 2024. Pathfinder eksperimenteer met atoominterferometrie in die Cold Atom Lab aan boord van die Internasionale Ruimtestasie. Nat Commun 15, 6414. Gepubliseer: 13 Augustus 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Voordruk weergawe https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- NASA demonstreer 'Ultra-Cool' kwantumsensor vir die eerste keer in die ruimte. Gepubliseer 13 Augustus 2024.Beskikbaar by https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
