Cercetătorii au atins cea mai scăzută temperatură din spațiu pe stația Tiangong
O echipă de cercetători din China a reușit să răcească un nor de atomi până la o temperatură echivalentă de 9,7 picokelvin pe stația spațială Tiangong, stabilind un nou record pentru mediul spațial. Rezultatele, publicate în revista Science, deschid calea pentru o nouă generație de experimente în fizica cuantică și măsurători de precizie.
De ce contează temperaturile aproape de zero absolut
La temperaturi apropiate de zero absolut, atomii pot forma un tip de nor numit condensat Bose–Einstein, care se comportă ca o undă cuantică comună. Astfel de condensate sunt descrise de autori drept „platforme versatile pentru simularea cuantică”. Cu cât atomii sunt mai reci, cu atât se mișcă mai lent, ceea ce permite măsurători mai precise.
Atingerea unor temperaturi extrem de scăzute este însă dificilă. Gravitația limitează experimentele, făcând atomii să „cadă” în capcană, iar levitația magnetică, folosită pentru a contracara acest efect, impune atomilor aceeași stare de spin intern. Capcanele optice, bazate pe fascicule laser, oferă un control mai flexibil, dar până acum nu produseseră direct un condensat în condiții de microgravitație.
Recordul anterior și contextul experimentelor spațiale
Recordul anterior fusese obținut cu ajutorul unui turn de cădere liberă, care a atins o temperatură echivalentă de 38 picokelvin. Un alt experiment desfășurat la Cold Atom Laboratory de pe Stația Spațială Internațională a ajuns la 52 picokelvin, folosind capcane magnetice și lentile pentru undele de materie. Cercetătorii folosesc temperatura echivalentă, care descrie energia și viteza de expansiune a norului, deoarece temperatura termodinamică obișnuită nu este practică în astfel de experimente.
Cum a fost obținut noul record
Echipa a răcit aproximativ 20.000 de atomi de rubidiu prin răcire cu laser și răcire evaporativă, care îndepărtează atomii cu energie mai mare, pentru a crea un condensat într-o capcană optică de dipol. Un gradient de câmp magnetic a îmbunătățit răcirea inițială, producând un condensat mai puțin sensibil la perturbații magnetice. Atomii au fost apoi transferați într-o capcană optică mai largă, cu o confinare slăbită, pentru a reduce energia de expansiune.
Măsurătorile tridimensionale ale expansiunii norului au indicat o temperatură echivalentă de 9,7 picokelvin, de patru ori mai mică decât recordul precedent. Incertitudinea acestei valori se situează între 7,0 și 12,9 picokelvin. Timpul de expansiune liberă urmărit a fost de 7 secunde, mult mai lung decât cele 2 secunde din experimentul cu turn de cădere sau decât aproximativ o secundă de pe Stația Spațială Internațională.
Perspective pentru fizica cuantică în spațiu
Posibilitatea de a experimenta la aceste temperaturi record și de a face măsurători pe intervale mai lungi de timp deschide noi oportunități. Echipa notează că capcanele cu volum reglabil ar putea crește numărul de atomi disponibili pentru experimente.
Printre direcțiile de cercetare se numără studiul unor stări cuantice neobișnuite cu ajutorul câmpurilor laser modelate precis și construirea unor interferometre atomice bazate în spațiu. Autorii descriu noul sistem drept un instrument puternic, cu două obiective principale: simularea cuantică pentru explorarea fizicii temperaturilor joase în mediul unic al spațiului, inclusiv studierea fazelor cuantice exotice, și realizarea unui interferometru atomic Mach–Zehnder spațial, cu potențial pentru teste de precizie ale principiilor fundamentale, cum ar fi principiul echivalenței.
