Модернизированная лаборатория NASA на МКС создает экзотическую форму материи в космосе

На борту Международной космической станции возобновил работу модернизированный холодный атомный лабораторный комплекс NASA, предоставляющий исследователям новые возможности для изучения фундаментальной природы материи и развития будущих квантовых технологий. Микрогравитация станции позволяет проводить эксперименты, невозможные на Земле.

Квантовая наука изучает поведение материи и энергии на сверхмалых масштабах, включая атомы, электроны и частицы света. Хотя атомы часто представляют в виде крошечных сталкивающихся шариков, квантовый мир гораздо более странен. Атомы могут вести себя как волны, находиться в нескольких местах одновременно и даже проходить друг сквозь друга при определенных условиях.

Размером с мини-холодильник и управляемый дистанционно с Земли, холодный атомный лабораторный комплекс охлаждает атомы до температур ниже -237°C. При температурах, близких к абсолютному нулю, атомы могут объединяться в необычное квантовое состояние, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК).

БЭК состоит из материальных волн и считается пятым агрегатным состоянием вещества наряду с твердыми телами, жидкостями, газами и плазмой. Несмотря на то, что он намного больше отдельных субатомных частиц, он все еще подчиняется законам квантовой механики. Условия микрогравитации на низкой околоземной орбите позволяют этим материальным волнам становиться еще больше, чем на Земле.

«При самых низких температурах материя ведет себя кардинально иначе, чем все, с чем мы сталкивались, — сказал Джейсон Уильямс, научный сотрудник проекта Cold Atom Lab в Лаборатории реактивного движения NASA в Южной Калифорнии, где было создано это оборудование. — Волновая природа материи доминирует, и сверхохлажденная материя может вести себя не только неожиданным образом, но и позволять проводить чрезвычайно точные измерения времени, гравитации и движения. Лаборатория имеет множество инструментов — особенно после последнего обновления — чтобы исследовать природу Вселенной».

В настоящее время комплекс поддерживает работу пяти международных исследовательских групп, изучающих фундаментальную физику. Он также служит испытательным полигоном для квантовых приборов, которые в будущем могут быть использованы для исследований Земли и будущих миссий по освоению космоса.

В центре комплекса находится сложный набор приборов, известный как научный модуль. Его новая модернизированная версия прибыла на станцию 11 апреля в рамках миссии Commercial Resupply Services, расширив спектр экспериментов, которые могут проводить ученые.

Во время эксперимента полоски рубидия или калия нагреваются до 400°C, создавая газ внутри вакуумной камеры. Затем исследователи используют тщательно настроенные лазеры для удаления энергии из атомов. Потеряв энергию, атомы замедляются и значительно охлаждаются. После лазерного охлаждения магнитные поля удерживают атомы. Дополнительные методы охлаждения еще больше снижают их энергию, почти полностью останавливая атомное облако и позволяя ученым максимально увеличить время его изучения в условиях микрогравитации.

Ученые могут изучать сверхохлажденные газы в лабораториях на Земле, но космос дает важные преимущества. В условиях микрогравитации квантовые газы можно наблюдать в течение более длительного времени и охлаждать до еще более низких температур. Среда с низкой гравитацией также позволяет формировать более крупные квантовые волны и дольше взаимодействовать с гравитацией.

«Будучи первым проектом по созданию конденсатов Бозе-Эйнштейна на орбите, мы демонстрируем, что можем заставить квантовые технологии надежно работать в космосе, — сказал Итан Эллиотт, заместитель научного сотрудника проекта Cold Atom Lab в JPL. — В прошлом веке произошла квантовая революция, которая привела к созданию лазеров, сотовых телефонов и МРТ для медицинской визуализации. Мы осуществляем квантовую революцию 2.0 — прямое манипулирование большими квантовыми состояниями — и надеемся на аналогичные достижения в квантовых технологиях, продвигая эту науку на орбите».

Последнее обновление — четвертое крупное с момента установки Cold Atom Lab на МКС в 2018 году. Среди наиболее значительных улучшений — переработанная магнитная ловушка, которая может изменять форму облаков квантового газа. Это дает исследователям новые возможности для изучения свойств и поведения сверхохлажденных атомов. Инженеры также представили переработанные источники металлических атомов, которые генерируют газовые облака, используемые в экспериментах.

«Это самое близкое, что у нас есть, к контролю над границей квантового мира, — сказал Камаль Удрири, руководитель проекта Cold Atom Lab в JPL, имея в виду сверхнизкие температуры. — Это новое обновление отодвигает эту границу еще дальше».

Удрири добавил, что новое оборудование «демонстрирует способность NASA поддерживать лидерство США в космических квантовых технологиях, одновременно развивая будущие квантовые приборы, такие как интерферометры материальных волн для фундаментальных физических миссий, навигации, синхронизации и гравитационного зондирования Земли, Луны и за их пределами».

Cold Atom Lab управляется Калифорнийским технологическим институтом в Пасадене, а Лаборатория реактивного движения NASA спроектировала, построила и эксплуатирует комплекс. Проект спонсируется отделом биологических и физических наук в составе Дирекции научных миссий NASA в Вашингтоне.

Источники: sciencedaily.com, NASA