Wir konnten jetzt eine Wolke des fünften Zustands der Materie im Weltraum untersuchen

Computermodell eines Bose-Einstein-Kondensats. (NASA/NIST)

Im Juli 2018 Das gab die NASA bekannt eine unglaubliche Leistung. Sie hatten das geschaffen kältester Ort im Weltraum - genau dort auf der Internationalen Raumstation, im Orbit um die Erde.

Sie nahmen Atome eines weichen Metalls namens Rubidium und kühlten sie auf Temperaturen um 100 Nanokelvin ab – ein Zehnmillionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt.

Dies führte zu einer superkalten Wolke namens a Bose-Einstein-Kondensat , die exotische „Fünfte“ Aggregatszustand , und eines, das uns helfen könnte, die seltsamen Quanteneigenschaften ultrakalter Atome zu verstehen. Aber die Forschung hörte hier nicht auf.



Mithilfe des Cold Atom Laboratory des Jet Propulsion Laboratory führten die Wissenschaftler ihre Produktion durch Bose-Einstein-Kondensate weniger als ein Nanokelvin über dem absoluten Nullpunkt – wir nutzen die Mikrogravitationsbedingungen an Bord der Raumstation, um mehr über diesen Zustand zu erfahren, als wir es auf der Erde könnten.

Bose-Einstein-Kondensate sind ziemlich seltsam. Sie entstehen aus Bosonen auf nur einen Bruchteil über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt (aber nicht den absoluten Nullpunkt erreichend). Atome hören auf, sich zu bewegen ). Dadurch sinken sie auf ihren niedrigsten Energiezustand, bewegen sich extrem langsam und kommen nahe genug zusammen, dass sie sich überlappen – wodurch eine hochdichte Atomwolke entsteht, die wie ein „Superatom“ oder eine Materiewelle wirkt.

Da die Quantenmechanik – bei der jedes Teilchen als Welle beschrieben werden kann – auf atomarer Ebene leichter zu beobachten ist, ermöglichen Bose-Einstein-Kondensate Wissenschaftlern die Untersuchung des Quantenverhaltens in einem viel größeren Maßstab, anstatt zu versuchen, einzelne Atome zu untersuchen.

Bose-Einstein-Kondensate können hier auf der Erde durch eine Kombination aus Laserkühlung, Magnetfeldern und Verdunstungskühlung erzeugt werden. Diese letzte Technik ist der letzte Schritt: Die Atome werden in einer magnetischen Falle festgehalten, und Hochfrequenzstrahlung wird verwendet, um die energiereichsten Teilchen zu „verdampfen“, während die kalten, trägen zurückbleiben und das Kondensat bilden.

Sobald dies geschieht, wird die Falle ausgeschaltet und die Wissenschaftler können Experimente durchführen. Aber sie müssen schnell handeln – die natürliche Abstoßungskraft zwischen den Atomen wird dazu führen, dass sich die Wolke ausdehnt und auflöst. Aufgrund der Schwerkraft erfolgt dieser Vorgang ziemlich schnell – nur wenige zehn Millisekunden.

Wenn man jedoch den Auswirkungen der Schwerkraft im freien Fall entgegenwirkt, kann man ein Bose-Einstein-Kondensat erzeugen, das länger als eine Sekunde anhalten kann.

Darüber hinaus kann sich das Kondensat durch den geringeren Einfluss der Schwerkraft in einer flacheren Schale bilden. Dies bot den Forschern ein besseres Fenster, um die Wolke sowohl vor als auch kurz nach ihrer Freisetzung zu beobachten.

Dies gelang den Forschern mit dem Cold Atom Laboratory – doch als sie die von ihnen erzeugten Kondensate untersuchten, stellten sie Effekte fest, die in der Schwerkraft der Erde nicht auftreten können.

„Wir stellen fest, dass die durch Radiofrequenz induzierte Verdunstungskühlung in der Schwerelosigkeit deutlich unterschiedliche Ergebnisse liefert.“ Sie schreiben in ihre Arbeit .

„Wir beobachten einen Anstieg der Atomzahl auf der Umlaufbahn um fast das Dreifache.“ Durch die Anwendung unterschiedlicher Magnetfeldgradienten bestätigen wir, dass sich etwa die Hälfte der Atome im magnetisch unempfindlichen Zustand |2, 0⟩ befindet und eine Halo-ähnliche Wolke um den Ort der Magnetfalle bildet.“

Auf der Erde ist die Schwerkraft die dominierende Kraft, die auf diese Atome einwirkt und sie aus der Umgebung der Falle entfernt.

Als man sich das Kondensat im Weltraum genauer anschaute, entdeckte man einen Halo aus losen Rubidiumatomen, die an den Rändern der Wolke schwebten. Aufgrund der Abkühlung des Materials schenkten diese Atome der magnetischen Falle kaum Beachtung.

Die Schwerkraft würde sie normalerweise beiseite ziehen, zumindest auf der Erde. Aber im freien Fall blieben sie bestehen und stellten eine potenziell nützliche ultrakalte Ressource für zukünftige Studien dar.

Die Möglichkeit, kältere, länger haltbare Bose-Einstein-Kondensate herzustellen, bedeutet auch, dass wir über andere Möglichkeiten nachdenken können, sie zu untersuchen. Beispielsweise könnten Fallenformen geschaffen werden, die auf der Erde nicht möglich sind, um zu sehen, ob unterschiedliche Quantenverhalten beobachtet werden können.

Die Welleneigenschaften von Bose-Einstein-Kondensaten sind möglicherweise auch nützlich für Atominterferometer , mit dem grundlegende physikalische Konstanten gemessen werden können.

„Wir haben die grundlegenden Fähigkeiten von CAL in der erdnahen Umlaufbahn genutzt, um unmittelbare und grundlegende Vorteile der Mikrogravitation für Experimente mit ultrakalten Atomen zu demonstrieren … Diese Experimente bilden den Beginn möglicherweise jahrelanger wissenschaftlicher Operationen, wobei im Laufe der Zeit zusätzliche Fähigkeiten des Instruments eingesetzt werden sollen.“ ' schreiben die Forscher in ihrer Arbeit .

„Zukünftige modulare Upgrades für das CAL-Instrument sind für erweiterte Missionsstudien verfügbar, einschließlich eines von JPL gebauten Wissenschaftsmoduls mit einem Atomwellen-Interferometer.“ Darüber hinaus befinden sich Nutzlasten für Folgemissionen in der Vorschlags- und Entwicklungsphase, um die fortgesetzte Präsenz und Anwendung ultrakalter Atome im Orbit sicherzustellen.“

Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .

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