Fysiker skapar exotisk "femte form av materia" ombord på ISS

Fysiker skapar exotisk "femte form av materia" ombord på ISS
Fysiker skapar exotisk "femte form av materia" ombord på ISS
Anonim

Enligt en ny artikel i tidskriften Nature har fysiker från California Institute of Technology och Jet Propulsion Laboratory skapat ett sällsynt kvanttillstånd av materia som kallas Bose-Einstein-kondensat (BEC) i rymden. Fysiker gjorde detta genom att placera en kompakt experimentell uppsättning storleken på ett minikylskåp ombord på International Space Station (ISS). Det kallas Cold Atom Laboratory (CAL), med andra ord, "det coolaste stället i universum."

BEC är uppkallat efter Albert Einstein och den indiska fysikern Satyendra Bose, som på 1920 -talet förutspådde möjligheten att atomernas vågiga natur skulle kunna tillåta atomer att spridas och överlappa om de packades tillräckligt nära varandra. Vid normala temperaturer fungerar atomer som biljardbollar som studsar av varandra. Lägre temperaturer minskar deras hastighet. Om temperaturen blir tillräckligt låg (miljardelar av en grad över absolut noll), och atomerna är tillräckligt tätt packade, kan vågor av olika ämnen "känna" varandra och koordinera sig själva, som om de vore en stor "superatom".

Fysikerna Eric Cornell och Carl Wieman, då vid University of Colorado's JILA lab, skapade de första BEC: erna i labbet 1995. Med hjälp av en laserfälla kylde de cirka 10 miljoner atomer rubidiumgas; de kylda atomerna hölls på plats av ett magnetfält. Men atomerna var fortfarande inte tillräckligt kalla för att bilda en BEC, så de lade till ett andra steg, förångningskylning, där ett nätverk av magnetfält samordnas för att slå ut de hetaste atomerna så att de kallare atomerna kan komma närmare varandra. Denna process fungerar ungefär på samma sätt som förångningskylning händer med din morgonkaffe - varmare atomer stiger till toppen av en magnetfälla och "hoppar ut" som ånga.

I september 2001 hade mer än tre dussin lag upprepat experimentet. Denna upptäckt markerade början på en helt ny gren av fysiken. BEC: er tillåter forskare att utforska kvantfysikens konstiga, lilla värld som om de tittade på den genom ett förstoringsglas; BEC "förstärker" atomer på samma sätt som en laser förstärker fotoner. Wiemann, Cornell och Wolfgang Ketterle delade 2001 Nobelpriset i fysik för sina prestationer.

Det tyska experimentet MAIUS 1 (Mother Wave Interferometry in Microgravity) skapade BEC i rymden 2017, under en sex minuters fas av mikrogravitationsflygning ombord på en ljudande raket. Den laboratorieutrustning som krävs för att skapa en BEC på jorden tar mindre än 1 m3 och kräver bara cirka 510 watt för att fungera, vilket gör den idealisk för experiment på ISS. CAL -instrumentet installerades ombord i maj 2018. Anläggningen använder för närvarande rubidiumatomer för att skapa BEC, men det finns planer på att inkludera kaliumatomer i blandningen för att studera fysiken för blandade BEC.

Detta är ett betydande framsteg eftersom BEC som skapats i rymden håller längre än i markbaserade laboratorier, även efter att stängda fällor har stängts av, vilket ger fysiker lite mer tid att studera det exotiska tillståndet - en sekund, jämfört med bråkdelar av en sekund. på marken. Som Neil Patel förklarar i Technology Review.

För att utföra experiment med BEC måste vi stänga av eller släppa magnetfällan. Atommolnet kommer att expandera, vilket är användbart eftersom BEC måste förbli kalla och gaser tenderar att svalna när de expanderar. Men om atomerna i BEC är för långt ifrån varandra, beter de sig inte längre som kondens. Det är här låg jordbana mikrogravitation spelar in. Om du försöker öka volymen på jorden, säger JPL-fysikern David Evelyn, medförfattare till en nyligen publicerad artikel i Nature, kommer tyngdkraften helt enkelt att dra atomerna i mitten av BEC-molnet ner till botten av fällan tills de rinner ut, förvränga kondensatet eller förstöra det helt.

Men i mikrogravitation kan instrumenten i CAL hålla atomerna ihop även när fällans volym ökas. Detta gör kondensatet mer långlivat, vilket i sin tur gör det möjligt för forskare att studera det längre än de kunde på jorden (den första demonstrationen var 1,18 sekunder lång, även om målet är att kunna utforska molnet i 10 sekunder)).

"Vi kommer att göra BEC -experiment dagligen, i många timmar om dagen", säger Evelyn. Verktyget är helt fjärrstyrt. Vi kör det från datorer på jorden."

CAL var ursprungligen tänkt att köra i ungefär ett år innan reservdelar behövdes, men astronauter på ISS - särskilt Christina Koch - utförde kritiskt underhåll för att förlänga dess livslängd. Verktyget har varit i drift i två hela år. De senaste förbättringarna inkluderar en atominterferometer, som kan använda BEC för att mäta eventuella tyngdförändringar på planetens yta. BEC kan också så småningom upptäcka axioner, en teoretiskt kall partikel av mörk materia, eller användas för att hitta källor till mörk energi.

"Tidigare har vår huvudsakliga förståelse för naturens inre arbete kommit från partikelacceleratorer och astronomiska observatorier", säger medförfattaren Robert Thompson från Caltech. "Jag tror att exakta mätningar med kalla atomer kommer att spela en allt viktigare roll i framtiden."

Rekommenderad: