Bulele ultra-reci de pe stația spațială deschid noi căi de cercetare cuantică

În interiorul Cold Atom Lab al NASA, oamenii de știință formează bule din gaz ultrarece, prezentate cu roz în această ilustrație. Laserele, de asemenea ilustrate, sunt folosite pentru a răci atomii, în timp ce un cip atomic, prezentat în gri, generează câmpuri magnetice pentru a le manipula forma, în combinație cu undele radio. Credit: NASA/JPL-Caltech

Produse în cadrul Cold Atom Lab al NASA, bulele ultra-reci oferă noi posibilități de a experimenta o stare exotică a materiei.

Încă din zilele programului NASA Apollo, astronauții au documentat (și s-au luptat) cum lichidele se comportă diferit în microgravitație decât pe Pământ – coalescându-se în sfere plutitoare în loc de picături grele în partea de jos. Acum, cercetătorii au demonstrat acest efect cu un material mult mai exotic: gazul răcit până aproape de zero absolut (minus 459 grade Fahrenheit, sau minus 273 grade Celsius), cea mai scăzută temperatură pe care o poate atinge materia.

Folosind Cold Atom Lab al NASA, prima unitate de fizică cuantică de la bordul Stației Spațiale Internaționale, cercetătorii au luat mostre de atomi răciți la mai puțin de o milioneme de grad peste zero absolut și le-au transformat în sfere extrem de subțiri și goale. Gazul rece începe într-o mică blob rotund, ca un gălbenuș de ou, și este sculptat în ceva mai mult ca o coajă de ou subțire. Pe Pământ, încercări similare eșuează: atomii se adună în jos, formând ceva mai mult ca o lentilă de contact decât o bulă.

Etapa – descrisă într-un nou articol publicat online miercuri, 18 mai în jurnal Natură— este posibil numai în mediul microgravitațional al stației spațiale.

Bulele ultrareci ar putea fi utilizate în cele din urmă în noi tipuri de experimente cu un material și mai exotic: o a cincea stare a materiei (distinsă de gaze, lichide, solide și plasme) numită Bose-Einstein Condensate (BEC). Într-un BEC, oamenii de știință pot observa proprietățile cuantice ale atomilor la o scară vizibilă cu ochiul liber. De exemplu, atomii și particulele se comportă uneori ca obiecte solide și uneori ca unde – o proprietate cuantică numită „dualitate val-particulă”.

Lucrarea nu necesită asistență de astronaut. Bulele ultra-reci sunt produse în interiorul camerei de vid închise ermetic a Cold Atom Lab folosind câmpuri magnetice pentru a manipula ușor gazul în diferite forme. Iar laboratorul în sine, care are aproximativ dimensiunea unui mini-frigider, este operat de la distanță de la JPL.

Cele mai mari bule au aproximativ 1 milimetru în diametru și 1 micron grosime (adică o miime de milimetru sau 0,00004 inci). Sunt atât de subțiri și diluate încât doar mii de atomi le alcătuiesc. Prin comparație, un milimetru cub de aer de pe Pământ conține aproximativ un miliard de miliard de molecule.






Norii de atomi ultrareci sunt manipulați în sfere goale în interiorul Cold Atom Lab al NASA de la bordul Stației Spațiale Internaționale. În această serie de imagini, norii sunt văzuți în diferite stadii de inflație, surprinzând aspectul unui singur nor de atomi atunci când sunt manipulați într-o bulă. Credit: NASA/JPL-Caltech

„Acestea nu sunt ca bulele tale de săpun obișnuite”, a spus David Aveline, autorul principal al noii lucrări și membru al echipei științifice Cold Atom Lab la Jet Propulsion Laboratory al NASA din California de Sud. „Nimic din ceea ce știm în natură nu devine la fel de rece precum gazele atomice produse în Cold Atom Lab. Așa că începem cu acest gaz foarte unic și studiem cum se comportă atunci când este modelat în geometrii fundamental diferite Și, din punct de vedere istoric, când un material este manipulat în acest mod. în felul acesta, poate apărea fizică foarte interesantă, precum și noi aplicații.”

De ce este important’

Expunerea materialelor la diferite condiții fizice este cheia pentru înțelegerea lor. De asemenea, este adesea primul pas pentru a găsi aplicații practice pentru aceste materiale.

Efectuarea acestor tipuri de experimente pe stația spațială folosind Cold Atom Lab permite oamenilor de știință să suprime efectele gravitației, care este adesea forța dominantă care afectează mișcarea și comportamentul fluidelor. Procedând astfel, oamenii de știință pot înțelege mai bine ceilalți factori implicați, cum ar fi tensiunea superficială sau vâscozitatea unui lichid.

Acum că oamenii de știință au creat bulele ultrareci, următorul lor pas va fi să transforme gazul ultrarece care formează bulele în starea BEC și să vadă cum se comportă.

„Unele lucrări teoretice sugerează că, dacă lucrăm cu una dintre aceste bule care se află în starea BEC, am putea forma vârtejuri – practic, mici vârtejuri – în materialul cuantic”, a spus Nathan. Lundblad, profesor de fizică la Bates. . Colegiul din Lewiston, Maine, și cercetătorul principal al noului studiu. „Este un exemplu de configurație fizică care ne-ar putea ajuta să înțelegem mai bine proprietățile BEC și să înțelegem mai bine natura materiei cuantice”.

Domeniul științei cuantice a condus la dezvoltarea tehnologiilor moderne precum tranzistoarele și laserele. Investigațiile cuantice efectuate pe orbita Pământului ar putea duce la îmbunătățiri ale sistemelor de navigație a navelor spațiale și ale senzorilor pentru a studia Pământul și alte corpuri ale sistemului solar. Instalațiile atomice ultrareci funcționează pe Pământ de zeci de ani; cu toate acestea, în spațiu, cercetătorii pot studia atomii ultrareci și BEC-urile în moduri noi, deoarece efectele gravitației sunt reduse. Acest lucru le permite cercetătorilor să atingă în mod regulat temperaturi mai scăzute și să observe fenomene mai mult decât pot pe Pământ.

„Obiectivul nostru principal cu Cold Atom Lab este cercetarea de bază – vrem să folosim mediul spațial unic al stației spațiale pentru a explora natura cuantică a materiei”, a declarat Jason Williams, om de știință al proiectului Cold Atom Lab la JPL. „Studiul atomilor ultrareci în noile geometrii este un exemplu perfect”.


Un bun venit călduros la stația spațială pentru niște hardware-uri noi


Mai multe informatii:
RA Carollo et al, Observarea bulelor atomice ultrareci în microgravitația orbitală, Natură (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04639-8

Furnizat de Jet Propulsion Laboratory

Citat: Bulele ultrareci de pe stația spațială deschid noi căi de cercetare cuantică (18 mai 2022) Preluat la 18 mai 2022 de la https://phys.org/news/2022-05-ultracold-space-station-avenues-quantum. html

Acest document este supus dreptului de autor. Cu excepția utilizării loiale în scopuri de studiu sau cercetare privată, nicio parte nu poate fi reprodusă fără permisiunea scrisă. Conținutul este oferit doar cu titlu informativ.

Add Comment