Ученые из Лаборатории холодных атомов NASA впервые измерили конденсат Бозе — Эйнштейна из атомов рубидия-87 на МКС в условиях постоянной невесомости (микрогравитации). Как сообщается в Nature, микрогравитация позволила достичь рекордных характеристик конденсата: время свободного расширения после выключения ловушки превысило секунду, а эффективная температура опустилась ниже нанокельвина.
Конденсатом Бозе — Эйнштейна называют такое агрегатное состояние вещества, при котором заметная доля атомов находится в самом низкоэнергетическом квантовом состоянии, или основном состоянии. При этом эти атомы ведут себя как единый квантовый объект с общей волновой функцией. Конденсат Бозе — Эйнштейна возникает в разреженном газе частиц-бозонов при охлаждении ниже критической температуры. Эта температура зависит от фундаментальных физических констант (постоянная Планка, постоянная Больцмана), также она обратно пропорциональна массе одиночного бозона m и прямо пропорциональна n2/3, где n — концентрация бозонов в газе.
В отличие от других макроскопических квантовые явлений, связанных с бозе-конденсацией — сверхтекучести и сверхпроводимости — всестороннее изучение которых началось в первой половине XX века, контролируемо получить конденсат из облака отдельных атомов оказалось сложной задачей. Атомы гораздо массивнее куперовских пар, отвечающих за сверхпроводимость, поэтому критическая температура конденсации в атомном газе на порядки ниже, чем температура перехода металла в сверхпроводящее состояние.
Впервые ученые из университета Колорадо смогли получить конденсат атомов рубидия-87 в 1995 году при помощи изобретенной в 1980-х методики лазерного охлаждения и магнитного испарительного охлаждения. Конденсация произошла при температуре около 170 нанокельвин. Несколькими месяцами позже в том же году группа ученых из MIT создала бозе-конденсат из атомов натрия-23 и в том числе показала квантовую интерференцию между двумя различными конденсатами.
Конденсат крайне чувствителен к влиянию гравитации, которая может выбивать атомы из ловушки и препятствовать эффективному охлаждению. Эта чувствительность позволяет использовать конденсат Бозе — Эйнштейна для инерционных акселерометров с чувствительностью менее 10-3 g. Разработку и совершенствование таких сенсоров крайне удобно проводить в условиях микрогравитации (невесомости), которая также способствует увеличению числа атомов в конденсате и дальнейшему понижению его температуры.
В прошлом ученые предпринимали немало усилий для компенсации гравитационного поля Земли, действующего на конденсат. Как правило, эти решения были достаточно громоздкими и требовали использования специальных лифтов, создания ультравысоковакуумных камер 10-метровой высоты или прочных установок, которые свободно падали со 120-метровой высоты внутри башни падения (которая находится в центре прикладных космических технологий и микрогравитации (ZARM) Бременского университета) и могли выдержать перегрузки до 50g. В одном из последних экспериментов ученые изучали конденсат рубидия-87 в невесомости при помощи размещения установки на борту метеорологической MAIUS-1, которая поднялась на высоту более 240 километров и провела в свободном падении около шести минут. Следующий логичный шаг в этом направлении — выведение полноценной экспериментальной установки на МКС (то есть на низкую околоземную орбиту) для долговременного изучения конденсата в условиях невесомости.
Ученые из Лаборатории холодных атомов NASA под руководством Роберта Томпсона (Robert J. Thompson) продемонстрировали результаты измерений конденсата в полностью автономной установке EXPRESS, которая была доставлена на МКС в 2018 году, а затем развернута и запущена при помощи астронавтов. Конденсат, полученный на МКС в текущем эксперименте, демонстрирует ряд особенностей: он состоит из большего числа атомов, содержит атомы в немагнитном состоянии и время расширения в свободном состоянии для конденсата превышает секунду.
Помимо непосредственно конденсата, образуемого хорошо удерживаемыми атомами в состоянии с проекцией магнитного момента на направление удерживающего поля mF=2, ученые смогли увидеть облако атомов в немагнитном состоянии с mF=0, которое обычно не образуется в конденсате рубидия-87 в земных условиях. Обычно наибольшее воздействие на эти атомы оказывает гравитация, но в условиях невесомости это влияние по сути отсутствует: гравитация одинакова для всех объектов на орбите и не смещает атомы относительно ловушки.
Небольшой магнитный момент атомов с mF=0 возникает из-за квадратичного эффекта Зеемана и пропорционален квадрату магнитного поля. Исследователи смогли обнаружить смещение немагнитного облака за счет силы, которая действует на малый магнитный момент при ненулевом поперечном градиенте магнитного поля ∇B. После выключения ловушки основное облако конденсата легко смещается продольным магнитным полем, но облако немагнитных атомов сдвигается только при значительном увеличении поперечного градиента.
Атомное облако в невесомости cодержало примерно 49 тысяч атомов, и 26 процентов из них составляли непосредственно конденсат. Это втрое больше, чем число атомов в конденсате, полученном в этой же установке на Земле. Измерение ширины сконденсировавшегося облака позволило оценить, что температура конденсата в захваченном состоянии составляет 17 нанокельвин.
Режим свободного конденсата позволил в полной мере продемонстрировать преимущества невесомости. Для этого ученые перевели атомы сформированного конденсата в немагнитное состояние и наблюдали свободное расширение облака в течение 1,2 секунды. Из этих наблюдений физики определили скорость смещения центра масс по причине остаточных воздействий, а также сопоставили скорость расширения облака с тепловым расширением. Температура составила 231 пикокельвин для расширения в плоскости чипа (подробнее об устройстве ловушки) и 720 пикокельвин для расширения в перпендикулярном чипу направлении.
Авторы полагают, что их результаты убедительно иллюстрируют преимущества изучения бозе-эйнштейновского конденсата в условиях постоянной невесомости и надеются, что в ближайшем будущем получится реализовывать необычные конфигурации атомов в конденсате («оболочка пузыря»), а также исследовать применимость конденсата для создания атомных сферических лазеров.
Измерения на выведенной на орбиту установке невозможны без полной автоматизации эксперимента. Ранее ученые научили искусственный интеллект управлять процессом охлаждения атомов для получения конденсата Бозе — Эйнштейна. Недавно мы также публиковали материал «Квантовые кентавры» о том, как бозе-эйнштейновский конденсат образуется из поляритонов.
Алексей Дмитриев