Kineski su znanstvenici na svemirskoj postaji Tiangong ostvarili novi fizikalni rekord postavivši najnižu izmjerenu ekvivalentnu temperaturu ikad postignutu u laboratoriju. Ona iznosi samo 9,7 pikokelvina, odnosno 9,7×10-12 K ili u decimalnom zapisu 0,0000000000097 kelvina. Ta je temperatura otprilike četvrtina dosadašnjeg svjetskog rekorda, koji je iznosio 38 pikokelvina, a izmjeren je u posebnoj klopci pri slobodnom padu na Zemlji.
Novi eksperiment, izveden u mikrogravitaciji, iskoristio je fokusirane laserske zrake za hvatanje oko 20.000 rubidijevih atoma, čime je stvoren Bose-Einsteinov kondenzat – stanje tvari u kojem se čestice ponašaju kolektivno kao jedinstveni kvantni val.Rad koji opisuje to postignuće objavljen je u časopisu Science.
Sedam sekundi za rekord
Na Zemlji gravitacija stalno povlači atome prema dolje unutar zamke, što otežava njihovo zadržavanje. Iako istraživači na Zemlji mogu ublažiti to privlačenje magnetskom levitacijom, taj postupak zahtijeva da svi atomi dijele isto unutarnje stanje spina. S druge strane, zamka izrađena od fokusiranih laserskih zraka pruža znatno veću fleksibilnost nad tim stanjima. U uvjetima mikrogravitacije u orbiti, fizikalna ograničenja uzrokovana Zemljinom gravitacijom znatno su smanjena, što je omogućilo praćenje širenja atomskog oblaka u tri dimenzije tijekom punih sedam sekundi.
Dosadašnji rekord od 38 pikokelvina postignut je u tornju za slobodni pad, koji je istraživačima pružao samo dvije sekunde za promatranje širenja oblaka. Isto tako, Laboratorij za hladne atome na Međunarodnoj svemirskoj postaji dosegnuo je ranije 52 pikokelvina koristeći magnetsko hvatanje, uz samo jednu sekundu slobodnog širenja. Novi kineski rezultat od 9,7 pikokelvina, uz procijenjenu mogućnost pogreške mjerenja u rasponu od 7,0 do 12,9 pikokelvina, omogućio je znatno duži prozor za promatranje.
Shujianyang / Wikimedia
Proces hlađenja započeo je laserskim usporavanjem oko 20.000 rubidijevih atoma, nakon čega je primijenjeno hlađenje isparavanjem radi uklanjanja čestica s najvećom energijom. Kondenzat je stvoren unutar optičke dipolne zamke uz pomoć magnetskog polja koje je smanjilo osjetljivost na magnetske smetnje. Znanstvenici su potom premjestili oblak u širu optičku zamku i postupno oslabili njezin pritisak. Taj je korak izravno smanjio energiju koja pokreće širenje atomskog oblaka nakon njegova otpuštanja.
Testiranje temeljnih načela fizike
Pitate li se čemu to sve zapravo služi? Bose-Einsteinov kondenzat u orbiti služi kao platforma za kvantne simulacije. Pomoću precizno oblikovanih laserskih polja istraživači mogu analizirati kako se atomi ponašaju u ekstremnim uvjetima. Zamke s prilagodljivim volumenom u budućim bi eksperimentima mogle prihvatiti i veći broj atoma, čime se dodatno šire mogućnosti istraživanja neobičnih stanja tvari.
Dugo razdoblje promatranja od sedam sekundi omogućuje i razvoj svemirskog atomskog Mach-Zehnderova interferometra. Takav instrument dijeli i ponovno spaja atomske valove kako bi detektirao minimalne razlike u gibanju, kojima dulje vrijeme širenja daje više prostora za nakupljanje i lakše mjerenje. Jedan od glavnih ciljeva ovog orbitalnog instrumenta jest provođenje iznimno preciznih testova temeljnih fizikalnih načela, poput načela ekvivalencije.
