Не обычный холод, а квантовый. NASA охладило атомы на МКС почти до абсолютного нуля

Благодаря условиям микрогравитации на станции лаборатория способна проводить эксперименты, невозможные в земных условиях. Квантовая наука занимается мельчайшими строительными блоками природы — атомами, электронами, отдельными частицами света. Хотя атомы обычно представляют в виде крошечных твёрдых шариков, на самом деле они могут вести себя как волны, находиться в нескольких местах одновременно и даже проходить друг через друга при определённых условиях.

Размером примерно с мини-холодильник, Cold Atom Lab управляется дистанционно с Земли и охлаждает атомы до температур ниже минус 237 градусов по Цельсию. При температурах, приближенных к абсолютному нулю, атомы объединяются в конденсат Бозе-Эйнштейна — необычное состояние материи, которое иногда называют пятым состоянием, после твёрдых тел, жидкостей, газов и плазмы. Несмотря на то, что конденсат Бозе-Эйнштейна значительно больше отдельных частиц, он всё равно подчиняется странным правилам квантовой механики. Микрогравитация низкой околоземной орбиты при этом позволяет волнам материи нарастать до размеров, недостижимых на Земле.

При самых низких температурах материя ведет себя совершенно иначе, чем все, с чем мы сталкивались ранее, — отметил Джейсон Уильямс, научный руководитель проекта Cold Atom Lab в Лаборатории реактивного движения NASA в Южной Калифорнии, где и была создана установка.

Волновая природа материи начинает доминировать, и сверххолодное вещество может вести себя не только неожиданным образом, но и таким, что позволяет чрезвычайно точно измерять время, гравитацию и движение. Лаборатория, особенно с этим последним обновлением, располагает множеством инструментов, позволяющих исследовать природу Вселенной.

В настоящее время установка обслуживает пять международных исследовательских команд, занимающихся фундаментальной физикой. В то же время она служит испытательной площадкой для квантовых технологий, которые впоследствии могут применяться в миссиях по изучению Земли и в будущих космических исследованиях.

Сердце лаборатории — её научный модуль, сложная сборка приборов. Обновлённая версия этого модуля прибыла на станцию 11 апреля на борту грузового корабля коммерческого снабжения, что расширило перечень доступных участникам экспериментов.

Каждый эксперимент начинается с нагрева полоски рубидия или калия до температуры целых 400 градусов по Цельсию, в результате чего внутри вакуумной камеры образуется газ. Затем учёные направляют на этот газ лазеры, настроенные на определённые частоты. Лазеры отбирают энергию у атомов, замедляя их, что резко снижает температуру.

После завершения лазерного охлаждения магнитная ловушка улавливает атомы. Дополнительные методы охлаждения снижают их энергию ещё больше, пока облако атомов не станет практически неподвижным — это позволяет исследователям максимально продлить время, в течение которого его можно изучать в условиях микрогравитации.

Лаборатории на Земле также способны создавать сверххолодные газы, однако Международная космическая станция дает существенные преимущества. На орбите ученые могут наблюдать квантовые газы дольше и при еще более низких температурах. Среда со слабой гравитацией также позволяет формироваться более крупным волнам материи, которые могут взаимодействовать с гравитацией в течение более длительного времени. Чтобы сделать такие эксперименты возможными, NASA пришлось разместить лабораторию атомной физики, которая обычно занимает целую комнату с лазерами, зеркалами и оборудованием, в один-единственный стенд на борту станции.

«Как первый проект, создающий конденсаты Бозе-Эйнштейна на орбите, мы демонстрируем, что можем заставить квантовые технологии надежно работать в космосе, — отметил Итан Эллиотт, заместитель научного руководителя проекта Cold Atom Lab в Лаборатории реактивного движения. — В прошлом веке произошла квантовая революция, которая подарила нам лазеры, мобильные телефоны и МРТ для медицинской визуализации. Сейчас мы проводим квантовую революцию 2.0 — прямое управление крупными квантовыми состояниями — и надеемся на подобный прогресс в квантовых технологиях благодаря развитию этой науки на орбите».

Это обновление стало уже четвертым с тех пор, как Cold Atom Lab установили на борту Международной космической станции в 2018 году. Среди наиболее значимых изменений — переработанная магнитная ловушка, которая позволяет учёным изменять форму облаков квантового газа, что открывает возможность исследовать новые свойства атомов. Инженеры также внедрили усовершенствованные металлические полоски, которые обеспечивают более эффективные источники для создания этих газовых облаков.