Kwantowe pomiary dzięki interferometrii fal materii w Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.
Przyszłe misje kosmiczne mogą wykorzystać technologie kwantowe, aby pomóc nam zrozumieć prawa fizyczne rządzące wszechświatem, zbadać skład innych planet i ich księżyców, uzyskać wgląd w niewyjaśnione zjawiska kosmologiczne lub monitorować grubość pokrywy lodowej i ilość wody w podziemnych akwiferach na Ziemi.
Laboratorium Zimnych Atomów NASA (CAL), pierwszy tego rodzaju obiekt na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, przeprowadziło serię przełomowych eksperymentów opartych na kwantowych właściwościach ultrazimnych atomów. Narzędzie używane do przeprowadzenia tych eksperymentów nazywa się interferometrem atomowym, a jego zadaniem jest precyzyjne mierzenie grawitacji, pól magnetycznych i innych sił.
Interferometry atomowe są obecnie stosowane na Ziemi do badania fundamentalnej natury grawitacji i są także opracowywane w celu wspomagania nawigacji samolotów i statków, ale wykorzystanie interferometru atomowego w przestrzeni kosmicznej pozwoli na innowacyjne możliwości naukowe.
Fizycy chętnie chcą zastosować interferometrię atomową w przestrzeni, aby umożliwić nowe pomiary dla nauk kosmicznych i skorzystać z wydłużonych warunków swobodnego spadku występujących w przestrzeni. To mogłoby umożliwić badaczom osiągnięcie bezprecedensowej wydajności z tych czujników kwantowych.
Jednak interferometry te wymagają niezwykle wrażliwego sprzętu, który wcześniej uważano za zbyt delikatny, aby działać przez dłuższy czas bez interwencji. Laboratorium Zimnych Atomów, które jest obsługiwane zdalnie z Ziemi, wykazało teraz, że możliwe jest przeprowadzanie interferometrii atomowej w przestrzeni. Zespół naukowy CAL opublikował dotychczas dwa dokumenty dokumentujące te kamienie milowe eksperymentalne.
Wyniki pierwszego badania, opublikowanego w listopadowym wydaniu Nature w 2023 roku, opisały demonstrację jednoczesnej interferometrii atomowej z użyciem gazów kwantowych rubidu i potasu po raz pierwszy w przestrzeni. Interferometr atomowy o podwójnych gatunkach nie tylko wykazał solidne i powtarzalne działanie interferometrii atomowej na orbicie Ziemi, ale także służył jako przewodnik dla przyszłych eksperymentów mających na celu użycie gazów kwantowych do testowania uniwersalności swobodnego spadku, kluczowego założenia teorii względności ogólnej Einsteina.
W drugim badaniu, wyniki którego zostały zaprezentowane w sierpniowym wydaniu Nature Communications w 2024 roku, członkowie zespołu naukowego skorzystali z interferometru atomowego CAL do pomiaru subtelnych wibracji stacji kosmicznej oraz do zdalnego pomiaru częstotliwości lasera interferometru atomowego? po raz pierwszy ultrazimne atomy zostały użyte do wykrywania zmian w otaczającym środowisku w przestrzeni. Ten artykuł także raportował o demonstracji falowej natury materii utrzymującej się przez najdłuższy czas swobodnego spadku (ponad jedną dziesiątą sekundy) w przestrzeni.
"Osiągnięcie tych kamieni milowych było niezwykle trudne, a nasz sukces nie był zawsze pewny," powiedział Jason Williams, naukowiec projektu Laboratorium Zimnych Atomów w NASA Jet Propulsion Laboratory w Południowej Kalifornii. "Zajęło to poświęcenie i poczucie przygody całego zespołu, aby to zrealizować."
Czujniki kosmiczne, które mogą mierzyć grawitację z wysoką precyzją, mają szeroki zakres potencjalnych zastosowań. Mogłyby ujawnić skład planet i księżyców w naszym układzie słonecznym, ponieważ różne materiały mają różne gęstości, które tworzą subtelne wariacje w grawitacji.
Amerykańsko-niemiecka misja GRACE-FO (Grawitacja, Odzyskiwanie i Eksperyment Klimatyczny) obecnie zbiera pomiary grawitacji z użyciem klasycznych czujników, które wykrywają drobne zmiany w grawitacji, aby śledzić ruch wody i lodu na Ziemi. Przyszła misja wykorzystująca interferometrię atomową mogłaby zapewnić lepszą precyzję i stabilność, ujawniając jeszcze więcej szczegółów na temat zmian masy powierzchni.
Dokładne pomiary grawitacji mogą również oferować wgląd w naturę ciemnej materii i ciemnej energii, dwóch głównych tajemnic kosmologicznych. Ciemna materia to niewidoczna substancja, która stanowi około 27% wszechświata, podczas gdy "zwykła" materia, która komponuje planety, gwiazdy i wszystko, co możemy zobaczyć, stanowi tylko 5%. Ciemna energia stanowi pozostałe 68% wszechświata i jest napędem przyspieszającej ekspansji wszechświata.
"Interferometria atomowa mogłaby być także użyta do testowania teorii względności ogólnej Einsteina w nowych sposób," powiedział profesor Uniwersytetu Wirginii Cass Sackett, główny badacz Laboratorium Zimnych Atomów. "To podstawowa teoria wyjaśniająca strukturę naszego wszechświata na dużą skalę, a wiemy, że istnieją aspekty tej teorii, które nie są poprawnie rozumiane. Ta technologia może pomóc nam uzupełnić te luki i dać nam pełniejszy obraz rzeczywistości, w której żyjemy."
O rozmiarze minilodówki, Laboratorium Zimnych Atomów zostało wystrzelone na stację kosmiczną w 2018 roku z celem posuwania nauki kwantowej naprzód poprzez umieszczenie stałego obiektu w mikro-grawitacyjnym środowisku niskiej orbity ziemskiej. Laboratorium schładza atomy do niemal zera absolutnego, czyli minus 459 stopni Fahrenheita (minus 273 stopni Celsjusza). W tej temperaturze niektóre atomy mogą tworzyć kondensat Bose'a-Einsteina, stan materii, w którym wszystkie atomy zasadniczo dzielą tę samą kwantową tożsamość. W rezultacie niektóre z typowych mikroskopowych właściwości kwantowych atomów stają się makroskopowe, co ułatwia ich badanie.
Właściwości kwantowe mogą czasami powodować, że atomy zachowują się jak obiekty stałe, a czasem jak fale. Naukowcy nie rozumieją jeszcze całkowicie, jak podstawowe składniki materii mogą przechodzić między tak różnymi zachowaniami fizycznymi, ale wykorzystują technologie kwantowe, takie jak dostępna w Laboratorium Zimnych Atomów, w poszukiwaniu odpowiedzi.
W mikro-grawitacji kondensaty Bose'a-Einsteina mogą osiągać niższe temperatury i mogą istnieć dłużej, co daje naukowcom więcej możliwości ich badania. Interferometr atomowy należy do kilku narzędzi w obiekcie CAL, które umożliwiają precyzyjne pomiary poprzez wykorzystanie kwantowej natury atomów.
Dzięki swojej falowej naturze pojedynczy atom może jednocześnie poruszać się dwoma fizycznie oddzielnymi ścieżkami. Jeśli grawitacja lub inne siły działają na te fale, naukowcy mogą zmierzyć ten wpływ, obserwując, jak fale się łączą i oddziałują.
"Oczekuję, że interferometria atomowa w przestrzeni kosmicznej doprowadzi do ekscytujących nowych odkryć, fantastycznych technologii kwantowych wpływających na codzienne życie i przeniesie nas w kwantową przyszłość," powiedział Nick Bigelow, profesor Uniwersytetu w Rochester w Nowym Jorku i główny badacz Laboratorium Zimnych Atomów dla konsorcjum amerykańskich i niemieckich naukowców, którzy współautorzy powyższych badań.
Zaprojektowane i zbudowane w NASA Jet Propulsion Laboratory, Laboratorium Zimnych Atomów jest sponsorowane przez Wydział Nauk Biologicznych i Fizycznych (BPS) w Dyrekcji Misji Naukowych NASA głównie w siedzibie agencji w Waszyngtonie oraz przez program Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w NASA Johnson Space Center w Houston, Texas. Prace prowadzone w Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, były realizowane na zlecenie Narodowej Administracji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej.
Dowiedz się więcej o Laboratorium Zimnych Atomów na stronie https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
Jak zimne są atomy w Laboratorium Zimnych Atomów? Dowiedz się na stronie https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7311
Aby dowiedzieć się więcej o niedawnych ulepszeniach Laboratorium Zimnych Atomów, odwiedź https://www.jpl.nasa.gov/news/upgrading-the-space-stations-cold-atom-lab-with-mixed-reality oraz https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7660
Lead Projektu: Kamal Oudrhiri, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology
Organizacja Sponsoringowa: Wydział Nauk Biologicznych i Fizycznych (BPS)
Dziękujemy, że przeczytałaś/eś artykuł! Obserwuj nas w Wiadomościach Google.
