Зат эки мүнөзгө ээ; баары бөлүкчө жана толкун катары да бар. Абсолюттук нөлгө жакын температурада атомдордун толкун табияты көрүнгөн диапазондогу нурлануу аркылуу байкалат. НаноКелвин диапазонундагы мындай өтө муздак температурада атомдор бир чоңураак объектке биригип, чоң пакеттеги толкун катары өзүн алып жүргөн Бозе Эйзенштейн конденсаты (BEC) деп аталган бешинчи абалга өтүшөт. Бардык толкундар сыяктуу, бул абалдагы атомдор да интерференция кубулушун көрсөтөт жана атом толкундарынын интерференция схемаларын лабораторияларда изилдөөгө болот. Космостун микрогравитация чөйрөсүндө орнотулган атомдук интерферометрлер өтө так сенсор катары иштешет жана алсыз ылдамдыктарды өлчөө мүмкүнчүлүгүн беришет. Эл аралык космос станциясынын (ISS) бортунда Жерди айланып жүргөн Муздак Атом Лабораториясы (CAL) өлчөмүндөгү мини муздаткыч космостун микрогравитация чөйрөсүндөгү ультра муздак кванттык газдарды изилдөөчү илимий мекеме болуп саналат. Ал бир нече жыл мурун Atom Interferometer менен жаңыртылган. 13-жылдын 2024-августунда жарыяланган баяндамага ылайык, изилдөөчүлөр жол тапкыч эксперименттерин ийгиликтүү өткөрүштү. Алар CAL аппаратынын бортундагы үч импульстуу Мах-Зехдер интерферометрин колдонуп, МКСнын термелүүсүн өлчөй алышкан. Бул биринчи жолу айланадагы өзгөрүүлөрдү аныктоо үчүн космосто кванттык сенсор колдонулган. Экинчи экспериментте интерференциянын үлгүлөрүн бир жолку жүрүштө көрсөтүү үчүн Рэмси жылыш толкунунун интерферометриясын колдонуу камтылган. Үлгүлөр 150 мс эркин кеңейүү учурунда байкалган. Бул космосто эркин түшүүдө атомдордун толкундуу табиятынын эң узак демонстрациясы болду. Изилдөө тобу ошондой эле космосто атомдук интерферометрияны колдонуу менен биринчи кванттык сенсордун демонстрациясы катары Bragg лазердик фотондун артка кайтуусун өлчөгөн. Бул окуялар олуттуу болуп саналат. Эң так сенсорлор катары, космоско негизделген ультра муздак атомдук интерферометрлер өтө алсыз ылдамдатууларды өлчөй алат, демек, изилдөөчүлөргө суроолорду изилдөө үчүн мүмкүнчүлүктөрдү сунуштайт (мисалы, караңгы зат жана кара энергия, зат-материяга каршы асимметрия, гравитацияны башка талаалар менен бириктирүү) Жалпы салыштырмалуулук жана бөлүкчөлөр физикасынын стандарттык модели биздин ааламды түшүнүүбүздөгү боштукту түшүндүрүп жана толтура албайт.
Толкундар интерференция кубулушун чагылдырат, башкача айтканда, эки же андан көп когеренттүү толкундар биригип, бириккен толкундардын фазаларына жараша амплитудасы жогору же төмөн болушу мүмкүн болгон жыйынтык толкунду пайда кылат. Жарык учурда, биз караңгы жана жарык четтери түрүндөгү натыйжа толкундарын көрөбүз.
Интерферометрия – интерференция кубулушунун жардамы менен мүнөздөмөлөрдү өлчөө ыкмасы. Бул түшкөн толкунду эки нурга бөлүүнү камтыйт, алар ар кандай жолдорду басып өтүшөт, андан кийин натыйжадагы интерференция үлгүсүн же четтерин (жарык учурда) түзүү үчүн биригишет. Натыйжадагы интерференция үлгүсү нурлардын жүрүү жолдорунун шарттарынын өзгөрүшүнө сезгич келет, мисалы, кыймыл жолунун узундугунун же толкун узундугуна карата кандайдыр бир талаанын өзгөрүшү интерференция үлгүсүнө таасир этет жана өлчөө үчүн колдонулушу мүмкүн.
де Бройль толкуну же зат толкуну
Зат эки мүнөзгө ээ; ал бөлүкчө катары да, толкун катары да бар. Ар бир кыймылдуу бөлүкчө же объект де Бройль теңдемеси тарабынан берилген толкун мүнөздөмөсү бар
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
мында λ – толкун узундугу, h – Планк туруктуусу, m – масса, v – бөлүкчөнүн ылдамдыгы, p – импульс, К – Больцман туруктуусу, Т – Кельвиндеги температура.
Термикалык де Бройль толкун узундугу келвиндеги температуранын квадрат тамырына тескери пропорционал, λ төмөнкү температурада чоңураак болот.
Ультра муздак атом толкундарын изилдөө
Кадимки атом үчүн бөлмө температурасындагы де Бройль толкун узундугу ангстром тартибинде (10)-10 м) б.а. 0.1 нанометр (1 нм=10-9 м). Берилген толкун узундуктагы нурлануу бирдей өлчөмдөгү диапазондогу деталдарды чече алат. Жарык анын толкун узундугунан кичирээк деталдарды чече албайт, ошондуктан бөлмө температурасындагы типтүү атомду болжол менен 400 нмден 700 нмге чейинки толкун узундугуна ээ көрүнүүчү жарыктын жардамы менен сүрөттөө мүмкүн эмес. Рентген нурлары анын ангстром диапазонунун толкун узундугуна байланыштуу жасай алат, бирок анын жогорку энергиясы байкоого тийиш болгон атомдорду жок кылат. Демек, чечим атомдун температурасын (10дон төмөн) төмөндөтүүдө-6 Келвин) атомдордун де Бройль толкун узундуктары көбөйүп, көрүнгөн жарыктын толкун узундуктары менен салыштырууга болот. Өтө суук температурада атомдордун толкундук табияты интерферометрия үчүн өлчөнгөн жана актуалдуу болуп калат.
Атомдордун температурасы нанокельвин диапазонунда дагы төмөндөйт (10-9 келвин) диапазону 400 нКга чейин жетет, атом бозондору Бозе-Эйнштейн конденсаты (БЭЭ) деп аталган бешинчи абалдагы материяга өтөт. Абсолюттук нөлгө жакын мындай өтө төмөн температураларда бөлүкчөлөрдүн жылуулук кыймылдары өтө эле жокко эсе болуп калганда, атомдор чоң пакеттеги толкун катары аракеттенген бир чоңураак нерсеге биригишет. Атомдордун мындай абалы изилдөөчүлөргө кванттык системаларды макроскопиялык масштабда изилдөөгө мүмкүнчүлүк берет. Биринчи атомдук б.з.ч. 1995-жылы рубидий атомдорунун газында түзүлгөн. Ошондон бери, бул аймакта технология көптөгөн жакшыртууларды көргөн. The молекулалык БЭК NaCs молекулалары жакында 5 nanoKelvin (nK) өтө муздак температурада түзүлгөн.
Космостогу микрогравитация шарттары кванттык механикалык изилдөөлөр үчүн жакшыраак
Жерге негизделген лабораториялардагы тартылуу эффективдүү муздатуу үчүн атомдорду кармап туруу үчүн магниттик капканды колдонууну талап кылат. Гравитация ошондой эле жер үстүндөгү лабораторияларда БЭК менен өз ара аракеттенүү убактысын чектейт. Космостук лабораториялардын микрогравитивдүү чөйрөсүндө БЭКтин түзүлүшү бул чектөөлөрдү жеңет. Микрогравитациялык чөйрө өз ара аракеттенүү убактысын көбөйтөт жана колдонулуучу талаадан бузулууларды азайтат, ошону менен кванттык механикалык изилдөөлөрдү жакшыраак колдоого алат. BCE азыр мейкиндиктеги микрогравитация шарттарында үзгүлтүксүз түзүлөт.
Эл аралык космос станциясындагы (МСС) муздак атом лабораториясы (CAL)
Cold Atom Laboratory (CAL) — космостун микрогравитация чөйрөсүндөгү ультра муздак кванттык газдарды изилдөө үчүн Эл аралык Космос станциясында (ISS) негизделген көп колдонуучу илимий мекеме. CAL реактивдүү кыймыл лабораториясындагы операция борборунан алыстан башкарылат.
Бул космостук объектиде 10 секунддан ашык байкоо убактысын жана 100 пикоКелвинден (1 pK= 10) төмөн өтө муздак температураны түзүүгө болот.-12 Келвин) кванттык кубулуштарды изилдөө үчүн.
Cold Atom Lab 21-жылдын 2018-майында ишке киргизилген жана 2018-жылдын май айынын аягында МКСга орнотулган. Бул космостук объектте 2018-жылдын июлунда Bose-Einstein Condensate (BEC) түзүлгөн. Бул биринчи жолу болгон; Жердин орбитасында материянын бешинчи абалы түзүлгөн. Кийинчерээк, ультра суук атомдук интерферометрлер орнотулгандан кийин мекеме жаңыланган.
CAL акыркы жылдары көптөгөн этаптарга жетишти. Рубидий Бозе-Эйнштейн конденсаттары (БЭК) 2020-жылы космосто өндүрүлгөн. Ошондой эле микрогравитация чөйрөсү муздак атомдук эксперимент үчүн пайдалуу экени далилденген.
Өткөн жылы, 2023-жылы, изилдөөчүлөр түзүлгөн эки түрлүү BEC өндүрүлгөн 87Rb жана 41К жана муздак атом лабораториясында космосто биринчи жолу эки атомдук түр менен бир убакта атомдук интерферометрияны көрсөттү. Бул жетишкендиктер космосто эркин түшүүнүн универсалдуулугун (UFF) кванттык сыноолор үчүн маанилүү болгон.
Космостук кванттык технологиялардагы акыркы жетишкендиктер
13-жылдын 2024-августунда жарыяланган баяндамага ылайык), изилдөөчүлөр иштеген 87CAL атомунун интерферометриндеги Rb атомдору жана үч жолду аныктоочу эксперимент ийгиликтүү өткөрүлдү. Алар CAL аппаратынын бортундагы үч импульстуу Мах-Зехдер интерферометрин колдонуп, МКСнын термелүүсүн өлчөй алышкан. Бул биринчи жолу айланадагы өзгөрүүлөрдү аныктоо үчүн космосто кванттык сенсор колдонулган. Экинчи экспериментте интерференциянын моделдерин бир жолку жүрүштө көрсөтүү үчүн Рэмси кыркуу-толкун интерферометриясын колдонуу камтылган. Үлгүлөр 150 мс эркин кеңейүү учурунда байкалган. Бул космосто эркин түшүүдө атомдордун толкундуу табиятынын эң узак демонстрациясы болду. Изилдөө тобу ошондой эле космосто атомдук интерферометрияны колдонуу менен биринчи кванттык сенсордун демонстрациясы катары Bragg лазердик фотондун артка кайтуусун өлчөгөн.
Космоско жайгаштырылган ультра суук атомдук интерферометрлердин мааниси
Атомдук интерферометрлер атомдордун кванттык табиятын колдонот жана ылдамдануудагы же талаалардагы өзгөрүүлөргө өтө сезгич, ошондуктан жогорку тактыктагы куралдар катары колдонулат. Жерге негизделген атомдук интерферометрлер тартылуу күчүн изилдөө жана алдыңкы навигация технологияларында колдонулат.
Космоско негизделген атомдук интерферометрлер талаалардын азыраак таасири менен эркин түшүү шарттарын сунуш кылган туруктуу микрогравитация чөйрөсүнүн артыкчылыктарына ээ. Ал ошондой эле Бозе-Эйнштейн конденсаттарынын (БЭК) пикоКелвин диапазонунда муздак температурага жетишине жана узак убакытка барышына жардам берет. Таза эффект узак байкоо убактысы, демек, изилдөө үчүн жакшы мүмкүнчүлүк. Бул жогорку тактыктагы өлчөө мүмкүнчүлүктөрү менен космоско жайгаштырылган ультра муздак атомдук интерферометрлерди берет жана аларды супер-сенсорлор кылат.
Космоско орнотулган ультра муздак атомдук интерферометрлер тартылуу күчүнүн өтө кылдат өзгөрүүлөрүн аныктай алат, бул тыгыздыктын өзгөрүшүн көрсөтөт. Бул планеталык денелердин курамын жана ар кандай массалык өзгөрүүлөрдү изилдөөгө жардам берет.
Тартылуу күчүн жогорку тактык менен өлчөө караңгы материяны жана кара энергияны жакшыраак түшүнүүгө жана жалпы салыштырмалуулуктан жана байкалуучу ааламды сүрөттөгөн Стандарттык моделден тышкары тымызын күчтөрдү изилдөөгө жардам берет.
Жалпы Салыштырмалуулук жана Стандарттык Модель байкалуучу ааламды сүрөттөгөн эки теория болуп саналат. Бөлүкчөлөр физикасынын стандарттык модели негизинен кванттык талаа теориясы. Ал ааламдын 5%ын гана сүрөттөйт, калган 95%ы биз түшүнбөгөн караңгы формаларда (караңгы зат жана караңгы энергия). Стандарттык модель караңгы затты жана караңгы энергияны түшүндүрө албайт. Ал зат-антиматер ассиметриясын да түшүндүрө албайт. Анын сыңарындай, тартылуу күчүн дагы башка талаалар менен бириктирүү мүмкүн эмес. Ааламдын чындыгы азыркы теориялар жана моделдер менен толук түшүндүрүлгөн эмес. Гигант тездеткичтер жана обсерваториялар жаратылыштын бул сырларынын көбүн ачып бере алышпайт. Эң так сенсорлор катары космоско негизделген ультра муздак атомдук интерферометрлер изилдөөчүлөргө ааламды түшүнүүдөгү боштукту толтуруу үчүн бул суроолорду изилдөөгө мүмкүнчүлүк берет.
***
Колдонулган адабияттар:
- Meystre, Pierre 1997. Атомдор толкунга айланганда. дареги боюнча жеткиликтүү https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- НАСА. Муздак атом лабораториясы - Аалам Миссиялары. дареги боюнча жеткиликтүү https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, et al. Бозе-Эйнштейн конденсаттарын Жердин орбитасындагы изилдөө лабораториясында байкоо. Nature 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Эллиотт, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Кванттык газ аралашмалары жана мейкиндикте эки түрлүү атомдук интерферометрия. Nature 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Уильямс, JR, жана башкалар 2024. Эл аралык космос станциясынын бортунда Cold Atom лабораториясында атомдук интерферометрия менен Pathfinder эксперименттери. Nat Commun 15, 6414. Жарыяланганы: 13 август 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Басма версиясы https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- НАСА космосто биринчи жолу "ультра салкын" кванттык сенсорду көрсөттү. Жарыяланган 13 август 2024. Жеткиликтүү дар https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
