Materien har dobbelt natur; alt eksisterer både som partikel og bølge. Ved en temperatur tæt på det absolutte nulpunkt bliver atomernes bølgenatur observerbar ved stråling i synligt område. Ved sådanne ultrakolde temperaturer i nanoKelvin-området smelter atomerne sammen til en enkelt større enhed og går over til den femte tilstand kaldet Bose Eisenstein Condensate (BEC), som opfører sig som en bølge i en stor pakke. Som alle bølger viser atomer i denne tilstand fænomenet interferens, og interferensmønstrene for atombølger kan studeres i laboratorierne. Atom-interferometre, der er indsat i et mikrogravitationsmiljø i rummet, fungerer som en ekstremt præcis sensor og giver mulighed for at måle de fleste svage accelerationer. Minikøleskabsstørrelsen Cold Atom Laboratory (CAL), der kredser om Jorden ombord på International Space Station (ISS), er et forskningsanlæg til undersøgelse af ultrakolde kvantegasser i rummets mikrogravitationsmiljø. Det blev opgraderet med Atom Interferometer for nogle år siden. Ifølge rapporten offentliggjort den 13. august 2024) har forskere med succes gennemført stifindereksperimenter. De kunne måle vibrationer af ISS ved hjælp af et tre-puls Mach-Zehnder interferometer ombord på CAL-faciliteten. Dette var første gang en kvantesensor blev brugt i rummet til at detektere ændringer i umiddelbare omgivelser. Det andet eksperiment involverede brug af Ramsey shear-wave interferometri til at manifestere interferensmønstre i en enkelt kørsel. Mønstrene kunne observeres i over 150 ms fri ekspansionstid. Dette var den længste demonstration af atomernes bølgenatur i frit fald i rummet. Forskerholdet målte også Bragg laserfotonrekyl som en demonstration af den første kvantesensor ved hjælp af atominterferometri i rummet. Disse udviklinger er væsentlige. Som de mest præcise sensorer kan de rumbaserede ultrakolde atom-interferometre måle ekstremt svage accelerationer og giver derfor forskere muligheder for at udforske spørgsmålene (såsom mørkt stof og mørk energi, stof-antistof-asymmetri, forening af tyngdekraften med andre felter) at generel relativitet og partikelfysikkens standardmodel ikke kan forklare og udfylde hullet i vores forståelse af universet.
Bølger viser fænomenet interferens, dvs. to eller flere kohærente bølger kombineres for at give anledning til en resulterende bølge, som kan have en højere eller lavere amplitude afhængigt af faserne af de kombinerende bølger. I tilfælde af lys ser vi resulterende bølger i form af mørke og lyse kanter.
Interferometri er en metode til at måle karakteristika ved hjælp af fænomenet interferens. Det involverer at opdele den indfaldende bølge i to stråler, som bevæger sig forskellige veje og derefter kombineres for at danne resulterende interferensmønster eller frynser (i tilfælde af lys). Det resulterende interferensmønster er følsomt over for ændringer i betingelserne for strålernes bevægelsesbaner, f.eks. enhver ændring i længden af bevægelsesvejen eller i et hvilket som helst felt i forhold til bølgelængden påvirker interferensmønsteret og kan bruges til målinger.
de Broglie-bølge eller stofbølge
Materien har dobbelt natur; det eksisterer både som partikel såvel som bølge. Hver bevægende partikel eller genstand har en bølgekarakteristik givet af de Broglie-ligning
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
hvor λ er bølgelængde, h er Plancks konstant, m er masse, v er hastighed af partiklen, p er momentum, K er Boltzmann konstant, og T er temperatur i Kelvin.
Den termiske de Broglie-bølgelængde er omvendt proportional med kvadratroden af temperatur i kelvin, hvilket betyder, at λ vil være større ved lavere temperatur.
Undersøgelse af ultrakolde atombølger
For et typisk atom er de Broglie-bølgelængden ved stuetemperatur i rækkefølgen ångstrøm (10-10 m) dvs. 0.1 nanometer (1 nm=10-9 m). En stråling af en given bølgelængde kan opløse detaljer i samme størrelsesområde. Lys kan ikke opløse detaljer, der er mindre end dets bølgelængde, og derfor kan et typisk atom ved stuetemperatur ikke afbildes ved hjælp af synligt lys, som har en bølgelængde i området omkring 400 nm til 700 nm. Røntgenstråler kan klare sig på grund af dens ångstrøms bølgelængde, men dens høje energi ødelægger netop de atomer, som den skal observere. Derfor ligger løsningen i at reducere atomets temperatur (til under 10-6 kelvin), så de Broglie-bølgelængderne af atomerne øges og bliver sammenlignelige med bølgelængderne af synligt lys. Ved ultrakolde temperaturer bliver atomernes bølgenatur målbar og relevant for interferometri.
Da temperaturen på atomer reduceres yderligere i nanokelvinområdet (10-9 kelvin) rækker til omkring 400 nK, atombosonernes overgang til den femte tilstandsstof kaldet Bose-Einstein-kondensat (BCE). Ved sådanne ultralave temperaturer nær det absolutte nulpunkt, når de termiske bevægelser af partikler bliver ekstremt ubetydelige, smelter atomerne sammen til en enkelt større enhed, der opfører sig som en bølge i en stor pakke. Denne tilstand af atomer giver forskerne mulighed for at studere kvantesystemer i makroskopisk skala. Den første atomare BCE blev skabt i 1995 i en gas af rubidium-atomer. Siden da har dette område oplevet mange forbedringer inden for teknologi. De molekylær BEC af NaCs-molekyler blev for nylig skabt ved en ultrakold temperatur på 5 nanoKelvin (nK).
Mikrotyngdekraftsforhold i rummet er bedre til kvantemekanisk forskning
Tyngdekraften i de jordbaserede laboratorier kræver brug af magnetisk fælde til at holde atomerne på plads for en effektiv afkøling. Tyngdekraften begrænser også interaktionstiden med BEC'erne i de jordbaserede laboratorier. Dannelsen af BEC'er i mikrogravitationsmiljøer i rumbaserede laboratorier overvinder disse begrænsninger. Mikrogravitationsmiljø kan øge interaktionstiden og reducere forstyrrelser fra det anvendte felt og derved bedre understøtte kvantemekanisk forskning. BCE'er dannes nu rutinemæssigt under mikrotyngdekraftsforhold i rummet.
Cold Atom Laboratory (CAL) ved den internationale rumstation (ISS)
Cold Atom Laboratory (CAL) er en multi-bruger forskningsfacilitet baseret på International Space Station (ISS) til undersøgelse af ultrakolde kvantegasser i mikrogravitationsmiljøet i rummet. CAL fjernbetjenes fra operationscenteret ved Jet Propulsion Laboratory.
På dette rumbaserede anlæg er det muligt at have observationstider over 10 sekunder og de ultrakolde temperaturer under 100 picoKelvin (1 pK= 10-12 Kelvin) til studiet af kvantefænomener.
Cold Atom Lab blev lanceret den 21. maj 2018 og blev installeret på ISS i slutningen af maj 2018. Et Bose-Einstein Condensate (BEC) blev skabt i denne rumbaserede facilitet i juli 2018. Dette var første gang; en femte stoftilstand blev skabt i kredsløb om Jorden. Senere blev anlægget opgraderet efter indsættelse af ultrakolde atominterferometre.
CAL har opnået mange milepæle i de seneste år. Rubidium Bose-Einstein-kondensater (BEC'er) blev produceret i rummet i 2020. Det blev også påvist, at mikrogravitationsmiljøet er fordelagtigt for koldtatomeksperimenter.
Sidste år, i 2023, producerede forskere dobbeltarter BEC dannet af 87Rb og 41K og demonstrerede samtidig atominterferometri med to atomarter for første gang i rummet i Cold Atom Laboratory facilitet. Disse resultater var vigtige for kvantetest af universalitet af frit fald (UFF) i rummet.
Nylige fremskridt inden for rumbaserede kvanteteknologier
Ifølge rapporten offentliggjort den 13. august 2024) beskæftigede forskere 87Rb-atomer i CAL-atominterferometeret og gennemførte med succes tre stifindende eksperimenter. De kunne måle vibrationer af ISS ved hjælp af et tre-puls Mach-Zehnder interferometer ombord på CAL-faciliteten. Dette var første gang en kvantesensor blev brugt i rummet til at detektere ændringer i umiddelbare omgivelser. Det andet eksperiment involverede brug af Ramsey shear-wave interferometri til at manifestere interferensmønstre i en enkelt kørsel. Mønstrene kunne observeres i over 150 ms fri ekspansionstid. Dette var den længste demonstration af atomernes bølgenatur i frit fald i rummet. Forskerholdet målte også Bragg laserfotonrekyl som en demonstration af den første kvantesensor ved hjælp af atominterferometri i rummet.
Betydningen af ultrakolde atom-interferometre indsat i rummet
Atominterferometre udnytter atomernes kvantenatur og er ekstremt følsomme over for ændringer i acceleration eller felter, og har derfor applikationer som højpræcisionsværktøjer. Jordbaserede atominterferometre bruges til at studere tyngdekraften og i avancerede navigationsteknologier.
Rumbaserede atominterferometre har fordele ved vedvarende mikrogravitationsmiljø, som tilbyder frit faldsforhold med meget mindre påvirkning af felter. Det hjælper også Bose-Einstein-kondensater (BEC'er) med at nå koldere temperaturer i picoKelvin-området og eksistere i længere tid. Nettoeffekten er forlænget observationstid og dermed bedre mulighed for at studere. Dette giver ultrakolde atom-interferometre, der er installeret i rummet, med højpræcisionsmålingskapacitet og gør dem til supersensorer.
Ultrakolde atom-interferometre, der er installeret i rummet, kan detektere meget subtile variationer i tyngdekraften, hvilket er tegn på variation i tætheder. Dette kan hjælpe med at studere sammensætningen af planetariske legemer og eventuelle masseændringer.
Højpræcisionsmåling af tyngdekraften kan også hjælpe med bedre at forstå mørkt stof og mørk energi og i udforskning af subtile kræfter hinsides General Relativity og Standard Model, som beskriver observerbart univers.
Generel relativitet og standardmodellen er de to teorier, der beskriver observerbart univers. Standardmodel for partikelfysik er grundlæggende kvantefeltteori. Den beskriver kun 5 % af universet, resten 95 % er i mørke former (mørk stof og mørk energi), som vi ikke forstår. Standardmodellen kan ikke forklare mørkt stof og mørk energi. Det kan ikke også forklare stof-antistof-asymmetri. På samme måde kunne tyngdekraften ikke forenes med de andre felter endnu. Universets virkelighed er ikke fuldt ud forklaret af de nuværende teorier og modeller. Kæmpe acceleratorer og observatorier er ikke i stand til at kaste lys over mange af disse naturmysterier. Som de mest præcise sensorer tilbyder de rumbaserede ultrakolde atominterferometre muligheder for forskere at udforske disse spørgsmål for at udfylde hullet i vores forståelse af universet.
***
Referencer:
- Meystre, Pierre 1997. Når atomer bliver til bølger. Tilgængelig kl https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Cold Atom Laboratory – Universmissioner. Tilgængelig kl https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, et al. Observation af Bose-Einstein-kondensater i et forskningslaboratorium, der kredser om jorden. Nature 582, 193-197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Kvantegasblandinger og dual-arts atom interferometri i rummet. Nature 623, 502-508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Williams, JR, et al 2024. Pathfinder eksperimenterer med atominterferometri i Cold Atom Lab ombord på den internationale rumstation. Nat Commun 15, 6414. Udgivet: 13. august 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Fortrykt version https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- NASA demonstrerer 'Ultra-Cool' kvantesensor for første gang i rummet. Udgivet 13. august 2024. Tilgængelig kl https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
