Το πρώτο συμπύκνωμα Bose-Einstein που δημιουργήθηκε στο διάστημα
Μια διεθνής ομάδα φυσικών αναφέρει ότι παρήγαγε με επιτυχία ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein στο διάστημα για πρώτη φορά. Στη μελέτη που δημοσιεύτηκε την περασμένη εβδομάδα στο Nature, η ομάδα περιγράφει πώς δημιούργησε μια μικρή συσκευή ικανή να παράγει ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein, το προσάρτησε σε έναν πύραυλο και τα πειράματα που διεξήχθησαν κατά την ελεύθερη πτώση.
Με αυτόν τον τρόπο, η ομάδα μπόρεσε να παρατηρήσει τη δυναμική και τις μεταπτώσεις φάσης του κβαντικού αερίου για μια χρονική περίοδο τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από τις προηγούμενες πειραματικές τεχνικές.
Η μελέτη αντιπροσωπεύει ένα άλμα προς τα εμπρός στην τεχνολογία και τις πειραματικές τεχνικές που περιλαμβάνουν συμπυκνώματα Bose-Einstein. Τα συμπυκνώματα Bose-Einstein είναι εμφανώς δύσκολο να παραχθούν και να διατηρηθούν, και ακόμη πιο δύσκολο να πραγματοποιηθούν πειράματα. Το περιβάλλον μικροβαρύτητας της ελεύθερης πτώσης παρέχει μια απομονωμένη περιοχή στην οποία μπορεί να παρατηρηθεί διεξοδικά ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein.
Επιπλέον, η ομάδα δημιούργησε μια συσκευή ικανή να παράγει στιβαρά BEC που είναι αρκετά μικρά για μεταφορά και εύκολη εγκατάσταση. Οι εφαρμογές του κβαντικού αερίου περιλαμβάνουν υπερευαίσθητα παρεμβολόμετρα, αισθητήρες, υπεραγωγούς θερμοκρασίας δωματίου και κβαντικούς υπολογιστές. Σύμφωνα με τη μελέτη, η επιτυχία του πειράματος «ανοίγει μια νέα εποχή για πειράματα κβαντικού αερίου». Η εργασία μπορεί να διαβαστεί πλήρως στην προτυπωμένη έκδοση arXiv.
Συμπυκνώματα Bose-Einstein και περιβάλλοντα ελεύθερης πτώσης
Ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC) είναι μια κατάσταση ύλης που δημιουργείται από την ψύξη ενός αερίου σωματιδίων μποζονίου σε θερμοκρασίες εξαιρετικά κοντά στο απόλυτο μηδέν. Όταν ψύχονται σε τέτοιες θερμοκρασίες, τα σωματίδια αρχίζουν να καταλαμβάνουν τη χαμηλότερη δυνατή ενεργειακή κατάσταση και τα κβαντικά φαινόμενα όπως η δυαδικότητα σωματιδίων-κύματος και η παρεμβολή κυματικής συνάρτησης γίνονται εμφανή σε μακροσκοπικές (μοριακές) κλίμακες. Τα BEC εμφανίζουν μια σειρά από παράξενες ιδιότητες όπως υπερρευστότητα, υπεραγωγιμότητα και υπερβολική κυματική φύση.
Επειδή υπάρχουν σε τέτοιες καταστάσεις χαμηλής ενέργειας, τα BEC αντιδρούν ακόμη και στην παραμικρή αλλαγή της κινητικής ενέργειας. Αυτή η ιδιότητα τα καθιστά θεωρητικά χρήσιμα για αισθητήρες για την ανίχνευση κυμάτων βαρύτητας, καθώς είναι ικανοί να καταγράφουν αλλαγές στην κινητική ενέργεια που αντιστοιχούν σε θερμοκρασίες στην περιοχή pico- ή femto-Kelvin. (1 τετράδιοτο του βαθμού Kelvin). Ωστόσο, σε χερσαία περιβάλλοντα, η παρουσία της βαρύτητας συχνά παρεμβαίνει στη δομή του αερίου, εμποδίζοντας τη σαφή παρατήρηση. Ως εκ τούτου, οι περισσότερες παρατηρήσεις των BEC περιελάμβαναν την απόρριψή τους από ψηλούς πύργους, έτσι ώστε να μπορούν να γίνουν παρατηρήσεις κατά τη διάρκεια της ελεύθερης πτώσης όταν δεν επενεργεί καθαρή δύναμη βαρύτητας στη συσκευή. Ωστόσο, η απλή πτώση του από έναν πύργο δίνει ένα παράθυρο μόνο μερικών δευτερολέπτων για να κάνετε παρατηρήσεις.
Έτσι, η ομάδα είχε τη λαμπρή ιδέα να πυροβολήσει κυριολεκτικά ένα BEC στο διάστημα για να εκμεταλλευτεί την επιμήκη ελεύθερη πτώση καθώς ο πύραυλος πέφτει πίσω στη γη. Το περιβάλλον μικροβαρύτητας του διαστήματος θα επέτρεπε χρόνους παρατήρησης τάξεις μεγέθους μεγαλύτερους από τα προηγούμενα πειράματα. Διαβόητα δύσκολο να παραχθούν και να συγκρατηθούν, τα BEC δημιουργούνται συνήθως σε μεγάλους εξειδικευμένους θαλάμους, οπότε η ομάδα έπρεπε να βρει έναν τρόπο να μικρογραφήσει αυτό το σχέδιο σε κάτι που θα μπορούσε να χωρέσει σε έναν πύραυλο 300 κιλών. Η τελική συσκευή αποτελούνταν από μια κάψουλα που περιείχε ένα τσιπ που κρατούσε μια ομάδα ατόμων ρουβιδίου-87, λέιζερ ακριβείας, ηλεκτρονικά και μια πηγή ενέργειας. Η ομάδα τοποθέτησε τη συσκευή της στον πύραυλο MAIUS I, που εκτοξεύτηκε από την Κιρούνα της Σουηδίας τον Ιανουάριο του 2017 για μια διαστημική πτήση που διήρκεσε 6 λεπτά. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η ομάδα μπόρεσε να εκτελέσει εκατοντάδες πειράματα κατά την αρχική απογείωση, την επιτάχυνση και την επακόλουθη ελεύθερη πτώση. Συγκεκριμένα, η ομάδα ερεύνησε την ψύξη με λέιζερ και την παγίδευση σωματιδίων κατά την επιτάχυνση της απογείωσης και την εξέλιξη και τον χειρισμό των BEC χρησιμοποιώντας τεχνικές συμβολομετρίας ύλης-κύματος. Αν και τα πειράματα διεξήχθησαν πριν από ένα χρόνο, μόλις τώρα βλέπουμε την ολοκληρωμένη ανάλυση των δεδομένων που συγκεντρώθηκαν κατά τη διάρκεια της πτήσης.
Στο απόγειο του ταξιδιού, το τσιπ ψύξε τα άτομα του ρουβιδίου-87 σε θερμοκρασία -273,15°C—σχεδόν έναν πλήρη βαθμό ψυχρότερη από το πιο κρύο φυσικό μέρος στο σύμπαν, το νεφέλωμα Μπούμερανγκ. Έτσι, για 6 λεπτά, η πειραματική συσκευή είχε την τιμή να είναι το πιο κρύο αντικείμενο στο γνωστό σύμπαν.
Μία από τις προτεινόμενες εφαρμογές των BEC είναι να βοηθήσουν στην αναζήτηση κυμάτων βαρύτητας. Για να ανιχνεύσουν αυτούς τους εξαιρετικά μικροσκοπικούς κυματισμούς στο χωροχρόνο, οι αστροφυσικοί θα χωρίσουν επί του παρόντος τις ακτίνες λέιζερ και θα τις ανασυνδυάσουν. Οι αποκλίσεις στο μοτίβο των κυμάτων δείχνουν σημάδια παρεμβολής και μπορεί να υποδηλώνουν την παρουσία ενός κύματος βαρύτητας. Αυτή ήταν η τεχνική που χρησιμοποιούσαν οι ερευνητές του LIGO για να κάνουν την πρώτη άμεση παρατήρηση ενός κύματος βαρύτητας το 2016. Τα πειράματα που έγιναν στον πύραυλο έδειξαν ότι τα BEC θα μπορούσαν να παρέχουν μια εναλλακτική μέθοδο για την ανίχνευση κυμάτων βαρύτητας.
Η ομάδα χρησιμοποίησε λέιζερ για να χωρίσει το νέφος των σωματιδίων στη μέση και στη συνέχεια να τα ανασυνδυάσει. Δεδομένου ότι τα σωματίδια σε κάθε μισό μοιράζονται την ίδια ακριβώς κατάσταση, όταν ανασυνδυάζονται, τυχόν αλλαγές στο μοτίβο των κυμάτων θα μπορούσαν να υποδηλώνουν την εξωτερική επίδραση ενός κύματος βαρύτητας. Επειδή τα BEC εκφράζουν αλλαγές στη συμπεριφορά που αντιστοιχούν στην εισροή κινητικής ενέργειας στην κλίμακα femto-Kelvin, θα ήταν ιδανική ουσία για την ανίχνευση της παρουσίας κυμάτων βαρύτητας εξαιρετικά χαμηλής ενέργειας. Στη Γη, δεν υπάρχει αρκετός χρόνος σε ελεύθερη πτώση για να ανιχνευθούν οι άφατες αλλαγές, αλλά το περιβάλλον μικροβαρύτητας του διαστήματος επιτρέπει ανεμπόδιστες χρονικά ισχυρές μετρήσεις.
Η NASA έχει ήδη συνειδητοποιήσει τις δυνατότητες για μια διαστημική πλατφόρμα για τη διεξαγωγή έρευνας BEC και βρίσκεται επί του παρόντος στη διαδικασία εγκατάστασης του Εργαστηρίου Ψυχρού Ατόμου (CAL) στον ISS, αν και δεν είναι ακόμη πλήρως λειτουργικό. Στο μεταξύ, η ομάδα έχει αποδείξει την καρποφορία των πειραμάτων σε BEC στο περιβάλλον μικροβαρύτητας του διαστήματος. Περισσότερες αποστολές MAUIS προγραμματίζονται για το μέλλον.
Εκτός από την παροχή πληθώρας λεπτομερών παρατηρήσεων της δυναμικής και των μεταβάσεων φάσης των BEC, η ομάδα δημιούργησε μια συσκευή ικανή να κάνει ισχυρά και σταθερά BEC αρκετά μικρά ώστε να αποστέλλονται στο διάστημα με σχετικά μικρό κόστος. Τα BEC διερευνώνται για τις εφαρμογές τους σε κβαντικούς υπολογιστές και συστήματα επικοινωνιών, έτσι ώστε η σμίκρυνση των εννοιών κβαντικών πληροφοριών που βασίζονται σε φωτόνια θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο προς τους κβαντικούς δορυφόρους επικοινωνιών, κάνοντας το κβαντικό Διαδίκτυο πραγματικότητα.
