Kwantowe laboratorium NASA na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej zyskuje chłodne ulepszenie
Na pokładzie ISS naukowcy uruchomili zaktualizowaną wersję Laboratorium Zimnych Atomów NASA, specjalistyczny układ zaprojektowany, by usprawnić badanie podstawowych cech materii i rozwój kwantowych technologii. Dzięki unikalnemu środowisku mikrograwitacji kosmosu laboratorium umożliwia prowadzenie badań na najwyższym poziomie, które byłyby niemożliwe w innych okolicznościach.
Nauka kwantowa zajmuje się badaniem materii w najdrobniejszych skalach, takich jak atomy, elektrony i pojedyncze cząstki światła. Choć atomy można wyobrażać sobie jako kule bilardowe, odbijające się od siebie, pokazują one także naturę falową, mogą istnieć w dwóch miejscach jednocześnie i potrafią przenikać jeden przez drugi.
Z urządzeniem o rozmiarach przypominających mini lodówkę i obsługą z Ziemi Laboratorium Zimnych Atomów ochładza atomy do temperatur znacznie poniżej 459 °F (237 °C poniżej zera). W skrajnie niskich temperaturach, tuż powyżej zera bezwzględnego, atomy tworzą duży obiekt kwantowy zwany kondensatem Bose?a?Einsteina (BEC), stan fal materii będący piątym rodzajem materii po ciałach stałych, cieczach, gazach i plazmie. Obiekt ten podlega regułom mechaniki kwantowej, a mikrograwitacja na niskiej orbicie pomaga w powiększaniu tych fal.
"W najniższych temperaturach materia zachowuje się zupełnie inaczej niż kiedykolwiek wcześniej," stwierdził Jason Williams, naukowiec projektu Laboratorium Zimnych Atomów w Jet Propulsion Laboratory NASA w Kalifornii, które stworzyło to laboratorium. "Natura falowa materii dominuje, a ultrazimne substancje mogą zachowywać się w sposób nie tylko nieprzewidywalny, lecz także umożliwiający niezwykle precyzyjne pomiary czasu, grawitacji i ruchu. Laboratorium dysponuje licznym zestawem narzędzi - zwłaszcza po tej najnowszej modernizacji - umożliwiającym badanie natury wszechświata."
Projekt wspiera pięć międzynarodowych zespołów zajmujących się podstawami fizyki. Testuje także gotowość kwantowych narzędzi do działania w kosmosie, co mogłoby wesprzeć przyszłe misje naukowe na Ziemi i eksplorację kosmosu.
Rdzeń Laboratorium Zimnych Atomów tworzy złożony zbiór instrumentów zwanych modułem naukowym. Zaktualizowany moduł został wystrzelony 11 kwietnia w ramach misji Commercial Resupply Services na stację kosmiczną, otwierając drogę do nowych typów eksperymentów.
Dla każdego eksperymentu rozgrzewa się paskiem metalu rubidu lub potasu do temperatury aż 750 °F (400 °C) ? na tyle gorący, by gaz mógł powstać w próżni instalacji. Lasery dopasowane do konkretnych częstotliwości kierują się na gaz, pochłaniając jego energię i zwalniając atomy, co doprowadza do spowolnienia. Gdy gaz zakończy etap laserowego chłodzenia, magnetyczny pułap chwyta i utrzymuje go w miejscu. Dzięki serii złożonych technik laboratorium dalej redukuje energię chmury atomowej, zbliżając ją do bezruchu i maksymalizując czas w mikro-grawitacji.
Chociaż na Ziemi istnieją stanowiska do badania ultrazimnych gazów, Laboratorium Zimnych Atomów może badać kwantowe gazy w mikro-grawitacji przez dłuższe okresy i w jeszcze niższych temperaturach. Prowadzenie tych eksperymentów w warunkach niskiej grawitacji umożliwia badanie większych fal kwantowych, które oddziałują z grawitacją przez dłuższy czas. Aby skorzystać z tych korzyści, Laboratorium Zimnych Atomów zasadniczo skraca rozmiar typowego laboratorium fizyki atomowej, aby zmieściło się w stojaku eksperymentalnym na pokładzie stacji.
"Jako pionierska inicjatywa produkująca kondensaty Bose?a?Einsteina na orbicie, pokazujemy, że technologia kwantowa potrafi działać niezawodnie w przestrzeni," powiedział Ethan Elliott, zastępca naukowca projektu Laboratorium Zimnych Atomów w JPL. "W minionym wieku doszło do rewolucji kwantowej, która doprowadziła do laserów, telefonów komórkowych i MRI w obrazowaniu medycznym. Realizujemy kwantowy 2.0 ? bezpośrednie manipulowanie dużymi stanami kwantowymi ? i mamy nadzieję na podobne korzyści technologiczne dzięki kontynuowaniu badań na orbicie."
Najnowsza modernizacja stanowi czwartą od czasu przybycia Laboratorium Zimnych Atomów na stację kosmiczną w 2018 roku. Najważniejsze ulepszenia to nowa magnetyczna pułapka, która zmienia kształt chmur gazu kwantowego, pozwalając badaczom testować różne zależności związane z atomami. Modernizacja obejmuje także przebudowane metalowe paski służące jako źródła dla tych chmur.
"To najpewniejszy sposób, w jaki możemy kontrolować granicę świata kwantowego," dodał Kamal Oudrhiri, kierownik Laboratorium Zimnych Atomów w JPL, odnosząc się do tych wyjątkowo niskich temperatur. "Nowa aktualizacja pcha tę granicę jeszcze dalej."
Jak podkreślił Oudrhiri, modernizacja "pokazuje, że NASA potrafi utrzymać amerykańskie przewodnictwo w technologiach kwantowych w kosmosie, a jednocześnie umożliwia rozwój przyszłych instrumentów kwantowych, takich jak interferometry fal materii do misji fundamentalnej fizyki, pozycjonowania, nawigacji, pomiaru czasu i detekcji grawitacji Ziemi, Księżyca i dalej."
Zarządzane przez Caltech w Pasadenie, JPL projektuje, buduje i prowadzi Laboratorium Zimnych Atomów, finansowane przez Wydział Nauk Biologicznych i Fizycznych Dyrekcji Misji Nauk NASA w Waszyngtonie. Ta Dyrekcja prowadzi odkrycia naukowe i umożliwia eksplorację poprzez wykorzystanie środowisk kosmicznych do badań, które nie są możliwe na Ziemi. Badanie zjawisk biologicznych i fizycznych w skrajnych warunkach wspiera postęp w podstawowej wiedzy niezbędnej do przyszłych lotów kosmicznych i dłuższego pobytu w kosmosie, jednocześnie przynosząc korzyści dla życia na Ziemi.
Aby dowiedzieć się więcej o Laboratorium Zimnych Atomów, odwiedź:
https://nasa.gov/cold-atom-laboratory/
2026-039
Dziękujemy, że przeczytałaś/eś artykuł! Obserwuj nas w Wiadomościach Google.
