Ինչու է մինի սառնարանի չափսերի «Սառը ատոմների լաբորատորիան (CAL)», որը պտտվում է Երկրի շուրջը ISS-ով, գիտության համար:  

Նյութը երկակի բնույթ ունի. ամեն ինչ գոյություն ունի և՛ որպես մասնիկ, և՛ որպես ալիք: Բացարձակ զրոյին մոտ ջերմաստիճանում ատոմների ալիքային բնույթը դիտելի է դառնում տեսանելի տիրույթում գտնվող ճառագայթման միջոցով: ՆանոԿելվինի տիրույթում այսպիսի գերցուրտ ջերմաստիճանների դեպքում ատոմները միավորվում են մեկ ավելի մեծ միավորի մեջ և անցնում հինգերորդ վիճակին, որը կոչվում է Bose Eisenstein Condensate (BEC), որն իրեն պահում է որպես ալիք մեծ փաթեթում: Ինչպես բոլոր ալիքները, այս վիճակում գտնվող ատոմները ցուցադրում են միջամտության երևույթը, և ատոմային ալիքների միջամտության ձևերը կարելի է ուսումնասիրել լաբորատորիաներում: Տիեզերքի միկրոգրավիտացիոն միջավայրում տեղակայված ատոմային ինտերֆերոմետրերը գործում են որպես չափազանց ճշգրիտ սենսոր և հնարավորություն են տալիս չափելու թույլ արագացումները: Մինի սառնարանի չափի Սառը ատոմների լաբորատորիան (CAL), որը պտտվում է Երկրի շուրջը Միջազգային տիեզերակայանում (ISS) հետազոտական ​​հաստատություն է տիեզերքի միկրոգրավիտացիոն միջավայրում ծայրահեղ սառը քվանտային գազերի ուսումնասիրման համար: Այն արդիականացվել է ատոմային ինտերֆերոմետրով մի քանի տարի առաջ: Համաձայն 13 թվականի օգոստոսի 2024-ին հրապարակված զեկույցի՝ հետազոտողները հաջողությամբ իրականացրել են հետագծային փորձեր։ Նրանք կարող էին չափել ISS-ի թրթռումները՝ օգտագործելով երեք զարկերակային Mach-Zehnder ինտերֆերոմետր CAL-ի վրա: Սա առաջին դեպքն էր, երբ քվանտային սենսորն օգտագործվեց տիեզերքում՝ անմիջական շրջապատի փոփոխությունները հայտնաբերելու համար: Երկրորդ փորձը ներառում էր Ռեմսիի կտրվածքային ալիքային ինտերֆերոմետրիայի օգտագործումը մեկ վազքի ընթացքում միջամտության օրինաչափությունների դրսևորման համար: Նախշերը դիտելի էին ավելի քան 150 ms ազատ ընդլայնման ժամանակ: Սա տիեզերքում ազատ անկման ժամանակ ատոմների ալիքային բնույթի ամենաերկար ցուցադրումն էր: Հետազոտական ​​թիմը նաև չափել է Բրեգի լազերային ֆոտոնների հետադարձը՝ որպես առաջին քվանտային սենսորի ցուցադրում՝ օգտագործելով ատոմային ինտերֆերոմետրիա տիեզերքում: Այս զարգացումները նշանակալի են։ Որպես առավել ճշգրիտ սենսորներ՝ տիեզերական գերսառը ատոմային ինտերֆերոմետրերը կարող են չափել չափազանց թույլ արագացումները, հետևաբար հետազոտողներին հնարավորություն է տալիս ուսումնասիրել հարցերը (օրինակ՝ մութ նյութ և մութ էներգիա, նյութ-հականյութի ասիմետրիա, ձգողականության միավորում այլ դաշտերի հետ): որ Հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը և մասնիկների ֆիզիկայի ստանդարտ մոդելը չեն կարող բացատրել և լրացնել տիեզերքի մեր ըմբռնման բացը: 

Ալիքները ցուցադրում են միջամտության երևույթը, այսինքն՝ երկու կամ ավելի համահունչ ալիքները միավորվում են՝ առաջացնելով ալիք, որը կարող է ունենալ ավելի բարձր կամ ավելի ցածր ամպլիտուդ՝ կախված միավորվող ալիքների փուլերից: Լույսի դեպքում մենք տեսնում ենք արդյունքային ալիքներ՝ մուգ և բաց եզրերի տեսքով։  

Ինտերֆերոմետրիան բնութագրերի չափման մեթոդ է՝ օգտագործելով միջամտության երևույթը։ Այն ներառում է ընկնող ալիքի բաժանումը երկու ճառագայթների, որոնք անցնում են տարբեր ուղիներ, այնուհետև միանում են՝ ձևավորելով միջամտության արդյունք կամ եզրեր (լույսի դեպքում): Արդյունքում առաջացող միջամտության օրինաչափությունը զգայուն է ճառագայթների ճամփորդության ուղիների պայմանների փոփոխությունների նկատմամբ, օրինակ՝ ճանապարհի երկարության կամ ցանկացած դաշտի ցանկացած փոփոխություն՝ կապված ալիքի երկարության հետ, և կարող է օգտագործվել չափումների համար:   

դե Բրոյլի ալիք կամ նյութի ալիք  

Նյութը երկակի բնույթ ունի. այն գոյություն ունի և՛ որպես մասնիկ, և՛ որպես ալիք: Յուրաքանչյուր շարժվող մասնիկ կամ առարկա ունի ալիքի բնութագրիչ, որը տրված է դը Բրոյլի հավասարմամբ  

λ = h/mv = h/p = h/√3mKT   

որտեղ λ-ն ալիքի երկարությունն է, h-ը Պլանկի հաստատունն է, m-ը զանգվածն է, v-ն մասնիկի արագությունն է, p-ն իմպուլսն է, K-ն Բոլցմանի հաստատունն է, իսկ T-ն՝ ջերմաստիճանը Կելվինում: 

Ջերմային դը Բրոլի ալիքի երկարությունը հակադարձ համեմատական ​​է ջերմաստիճանի քառակուսի արմատին կելվինում, ինչը նշանակում է, որ λ ավելի մեծ կլինի ավելի ցածր ջերմաստիճանում:  

Ուլտրա սառը ատոմային ալիքների ուսումնասիրություն 

Տիպիկ ատոմի համար դը Բրոյլի ալիքի երկարությունը սենյակային ջերմաստիճանում անգստրոմի կարգով է (10^{- 10} մ) այսինքն. 0.1 նանոմետր (1 նմ=10^{- 9} մ). Տրված ալիքի երկարության ճառագայթումը կարող է որոշել մանրամասները նույն չափերի միջակայքում: Լույսը չի կարող լուծել իր ալիքի երկարությունից փոքր մանրամասները, հետևաբար սենյակային ջերմաստիճանում տիպիկ ատոմը չի կարող պատկերվել տեսանելի լույսի միջոցով, որն ունի ալիքի երկարություն մոտ 400 նմ-ից մինչև 700 նմ միջակայքում: Ռենտգենյան ճառագայթները կարող են դա անել իր անգստրոմի տիրույթի ալիքի երկարության պատճառով, սակայն դրա բարձր էներգիան ոչնչացնում է հենց այն ատոմները, որոնք նա պետք է դիտարկի: Հետևաբար, լուծումը կայանում է նրանում, որ նվազեցնելով ատոմի ջերմաստիճանը (մինչև 10^{- 6} կելվին) այնպես, որ ատոմների դե Բրոլի ալիքի երկարությունները մեծանան և համեմատելի լինեն տեսանելի լույսի ալիքի երկարությունների հետ։ Գերցուրտ ջերմաստիճաններում ատոմների ալիքային բնույթը դառնում է չափելի և համապատասխան ինտերֆերոմետրիայի համար:  

Քանի որ ատոմների ջերմաստիճանն ավելի է նվազում նանոկելվինի միջակայքում (10^{- 9} կելվին) տատանվում է մինչև մոտ 400 նԿ, ատոմային բոզոնները անցնում են հինգերորդ վիճակի նյութին, որը կոչվում է Բոզ-Էյնշտեյնի կոնդենսատ (մ.թ.ա.): Նման ծայրահեղ ցածր ջերմաստիճանի դեպքում բացարձակ զրոյի մոտ, երբ մասնիկների ջերմային շարժումները դառնում են չափազանց աննշան, ատոմները միավորվում են մեկ ավելի մեծ միավորի մեջ, որն իրեն պահում է որպես ալիք մեծ փաթեթում: Ատոմների այս վիճակը հնարավորություն է տալիս հետազոտողներին ուսումնասիրել քվանտային համակարգերը մակրոսկոպիկ մասշտաբով: Առաջին ատոմը մ.թ.ա. ստեղծվել է 1995 թվականին ռուբիդիումի ատոմներից կազմված գազում։ Այդ ժամանակվանից ի վեր այս ոլորտում տեխնոլոգիական շատ բարելավումներ են եղել: Այն մոլեկուլային BEC NaCs մոլեկուլները վերջերս ստեղծվել են 5 նանոԿելվին (nK) գերսառը ջերմաստիճանում:  

Տիեզերքում միկրոգրավիտացիայի պայմաններն ավելի լավ են քվանտային մեխանիկական հետազոտությունների համար  

Երկրի վրա հիմնված լաբորատորիաներում ձգողականությունը պահանջում է մագնիսական թակարդի օգտագործում՝ ատոմներն արդյունավետ սառեցման համար տեղում պահելու համար: Ձգողականությունը նաև սահմանափակում է BEC-ների հետ փոխազդեցության ժամանակը ցամաքային լաբորատորիաներում: Տիեզերական լաբորատորիաների միկրոգրավիտացիոն միջավայրում BEC-ների ձևավորումը հաղթահարում է այս սահմանափակումները: Միկրոգրավիտացիոն միջավայրը կարող է մեծացնել փոխազդեցության ժամանակը և նվազեցնել կիրառական դաշտի խանգարումները, դրանով իսկ ավելի լավ աջակցել քվանտային մեխանիկական հետազոտություններին: BCE-ները այժմ սովորաբար ձևավորվում են տիեզերքում միկրոգրավիտացիայի պայմաններում:  

Սառը ատոմների լաբորատորիա (CAL) Միջազգային տիեզերակայանում (ISS) 

Սառը ատոմի լաբորատորիան (CAL) բազմակի օգտագործող հետազոտական ​​հաստատություն է, որը հիմնված է Միջազգային տիեզերակայանում (ISS) տիեզերքի միկրոգրավիտացիոն միջավայրում գերսառը քվանտային գազերի ուսումնասիրության համար: CAL-ը շահագործվում է ռեակտիվ շարժիչ լաբորատորիայի օպերացիոն կենտրոնից հեռակա կարգով:  

Տիեզերքի վրա հիմնված այս հաստատությունում հնարավոր է դիտարկման ժամանակներ ունենալ 10 վայրկյանից ավելի, իսկ գերցուրտ ջերմաստիճանները 100 պիկոԿելվինից ցածր (1 pK= 10):^{12 -} Քելվին) քվանտային երևույթների ուսումնասիրության համար։   

Սառը ատոմի լաբորատորիան գործարկվել է 21 թվականի մայիսի 2018-ին և տեղադրվել է ISS-ում 2018 թվականի մայիսի վերջին: Տիեզերական այս հաստատությունում ստեղծվել է Bose-Einstein Condensate (BEC) 2018 թվականի հուլիսին: Սա առաջին անգամն էր. Երկրի ուղեծրում ստեղծվել է նյութի հինգերորդ վիճակը: Ավելի ուշ, հաստատությունը արդիականացվել է գերսառը ատոմային ինտերֆերոմետրերի տեղակայումից հետո:  

CAL-ը վերջին տարիների ընթացքում հասել է բազմաթիվ նվաճումների: Rubidium Bose-Einstein condensates (BECs) արտադրվել են տիեզերքում 2020 թվականին: Նաև ապացուցվել է, որ միկրոգրավիտացիոն միջավայրը ձեռնտու է սառը ատոմների փորձի համար:  

Անցյալ տարի՝ 2023 թվականին, հետազոտողները արտադրել են երկտեսակ BEC-ից, որը ձևավորվել է ⁸⁷Ռբ և ⁴¹K և ցուցադրեցին միաժամանակյա ատոմային ինտերֆերոմետրիա երկու ատոմային տեսակների հետ առաջին անգամ տիեզերքում Սառը ատոմի լաբորատորիայում: Այս ձեռքբերումները կարևոր էին տիեզերքում ազատ անկման (UFF) համընդհանուրության քվանտային թեստերի համար։  

Տիեզերական քվանտային տեխնոլոգիաների վերջին առաջընթացը 

13 թվականի օգոստոսի 2024-ին հրապարակված զեկույցի համաձայն, հետազոտողները աշխատել են ⁸⁷Rb ատոմները CAL ատոմային ինտերֆերոմետրում և հաջողությամբ իրականացրեցին ուղի գտնելու երեք փորձ: Նրանք կարող էին չափել ISS-ի թրթռումները՝ օգտագործելով երեք զարկերակային Mach-Zehnder ինտերֆերոմետր CAL-ի վրա: Սա առաջին դեպքն էր, երբ քվանտային սենսորն օգտագործվեց տիեզերքում՝ անմիջական շրջապատի փոփոխությունները հայտնաբերելու համար: Երկրորդ փորձը ներառում էր Ռեմսիի կտրվածքային ալիքային ինտերֆերոմետրիայի օգտագործումը մեկ վազքի ընթացքում միջամտության օրինաչափությունների դրսևորման համար: Նախշերը դիտելի էին ավելի քան 150 ms ազատ ընդլայնման ժամանակ: Սա տիեզերքում ազատ անկման ժամանակ ատոմների ալիքային բնույթի ամենաերկար ցուցադրումն էր: Հետազոտական ​​թիմը նաև չափել է Բրեգի լազերային ֆոտոնների հետադարձը՝ որպես առաջին քվանտային սենսորի ցուցադրում՝ օգտագործելով ատոմային ինտերֆերոմետրիա տիեզերքում: 

Տիեզերքում տեղակայված գերսառը ատոմային ինտերֆերոմետրերի նշանակությունը 

Ատոմային ինտերֆերոմետրերը օգտագործում են ատոմների քվանտային բնույթը և չափազանց զգայուն են արագացման կամ դաշտերի փոփոխությունների նկատմամբ, հետևաբար կիրառվում են որպես բարձր ճշգրտության գործիքներ: Երկրի վրա հիմնված ատոմային ինտերֆերոմետրերը օգտագործվում են գրավիտացիայի և առաջադեմ նավիգացիոն տեխնոլոգիաներում ուսումնասիրելու համար:   

Տիեզերական վրա հիմնված ատոմային ինտերֆերոմետրերն ունեն կայուն միկրոգրավիտացիոն միջավայրի առավելություններ, որն առաջարկում է ազատ անկման պայմաններ՝ դաշտերի շատ ավելի քիչ ազդեցությամբ: Այն նաև օգնում է Bose-Einstein կոնդենսատներին (BECs) հասնել ավելի ցուրտ ջերմաստիճանների picoKelvin միջակայքում և գոյություն ունենալ ավելի երկար տևողությամբ: Զուտ էֆեկտը երկարաձգված դիտարկման ժամանակ է, հետևաբար ուսումնասիրելու ավելի լավ հնարավորություն: Սա տիեզերքում տեղակայված գերսառը ատոմային ինտերֆերոմետրերին օժտում է բարձր ճշգրտության չափման հնարավորություններով և դրանք դարձնում գերսենսորներ:  

Տիեզերքում տեղակայված գերսառը ատոմային ինտերֆերոմետրերը կարող են հայտնաբերել ձգողականության շատ նուրբ տատանումներ, ինչը վկայում է խտությունների փոփոխության մասին: Սա կարող է օգնել ուսումնասիրել մոլորակային մարմինների կազմը և զանգվածի ցանկացած փոփոխություն:  

Ձգողության բարձր ճշգրտության չափումը կարող է նաև օգնել ավելի լավ հասկանալ մութ նյութը և մութ էներգիան, ինչպես նաև ընդհանուր հարաբերականության և Ստանդարտ մոդելի սահմաններից դուրս գտնվող նուրբ ուժերի հետազոտման հարցում, որոնք նկարագրում են դիտելի տիեզերքը:  

Հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը և ստանդարտ մոդելը երկու տեսություններ են, որոնք նկարագրում են դիտելի տիեզերքը: Մասնիկների ֆիզիկայի ստանդարտ մոդելը հիմնականում դաշտի քվանտային տեսությունն է: Այն նկարագրում է տիեզերքի միայն 5%-ը, մնացած 95%-ը գտնվում է մութ ձևերի մեջ (մութ նյութ և մութ էներգիա), որոնք մենք չենք հասկանում: Ստանդարտ մոդելը չի ​​կարող բացատրել մութ նյութը և մութ էներգիան: Այն չի կարող բացատրել նաև նյութ-հականյութ անհամաչափությունը: Նմանապես, ձգողականությունը դեռևս չէր կարող միավորվել մյուս դաշտերի հետ։ Տիեզերքի իրականությունը լիովին չի բացատրվում ներկայիս տեսություններով և մոդելներով: Հսկա արագացուցիչներն ու աստղադիտարանները չեն կարողանում լույս սփռել բնության այս առեղծվածներից շատերի վրա: Որպես առավել ճշգրիտ սենսորներ՝ տիեզերքի վրա հիմնված գերսառը ատոմային ինտերֆերոմետրերը հնարավորություն են տալիս հետազոտողներին ուսումնասիրել այս հարցերը՝ լրացնելու տիեզերքի մեր ըմբռնման բացը:  

*** 

Հիշատակում:  

1. Meystre, Pierre 1997. Երբ ատոմները դառնում են ալիքներ. Հասանելի է https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf 

2. ՆԱՍԱ. Սառը ատոմների լաբորատորիա – տիեզերքի առաքելություններ: Հասանելի է https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/  

3. Aveline, DC, et al. Բոզ-Էյնշտեյնի կոնդենսատների դիտարկումը Երկրի ուղեծրով պտտվող հետազոտական ​​լաբորատորիայում: Nature 582, 193–197 (2020): https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1 

4. Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Քվանտային գազային խառնուրդներ և երկտեսակ ատոմների ինտերֆերոմետրիա տիեզերքում։ Nature 623, 502–508 (2023): https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w 

5. Ուիլյամս, JR, et al 2024. Միջազգային տիեզերակայանի վրա գտնվող Սառը ատոմների լաբորատորիայում ատոմային ինտերֆերոմետրիայի հետ ուղի փնտրող փորձարկումներ: Nat Commun 15, 6414. Հրատարակված՝ 13 օգոստոսի 2024թ. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Preprint տարբերակը https://arxiv.org/html/2402.14685v1  

6. ՆԱՍԱ-ն տիեզերքում առաջին անգամ ցուցադրել է «Ուլտրա սառը» քվանտային սենսոր: Հրապարակված է 13 թվականի օգոստոսի 2024-ին: Հասանելի է https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space 

***