Невесомость помогла создать пузыри холодного газа на МКС

Американские физики смогли придать холодному атомному газу форму пузыря, отправив компактную лабораторию на борт Международной космической станции. Они исследовали, как такая форма влияет на свойства газа, а также увидели интерференцию его плотности после снятия удерживающего потенциала. Условия микрогравитации позволили устранить главное препятствие на пути к созданию пузырей из бозе-эйнштейновского конденсата. Исследование опубликовано в Nature.

Придание определенной формы веществу часто в корне меняет его свойства. Типичным примером такого изменения можно назвать поведение жидкости в тонких пленках, которое сильно отличается от такового в объемном образце. Иной баланс поверхностных сил меняет механические свойства пленочных структур, самая известная из которых — пузырь. Физика жидких пузырей достаточно сложная и интересная, поэтому ей часто уделяют внимание ученые. Например, они пытаются сделать так, чтобы пузыри как можно дольше не лопались.

Надувание пузыря способно менять свойства не только жидкостей. Физики активно исследуют, какие эффекты это даст и для других состояний вещества, например, конденсата Бозе — Эйнштейна. В этой фазе атомы холодного бозонного газа замедляются настолько, что их волновые функции перекрываются и сходятся к одной. Ученые считают, что пузырь бозе-эйнштейновского конденсата проявит необычные топологические свойства, новые коллективные эффекты и самоинтерференцию.

Несмотря на то, что физики предпринимали попытки надуть пузырь конденсата еще 20 лет назад, до сих пор сделать это еще никому не удалось. Даже если пытаться формировать из холодного газа сферу с помощью магнитных полей, атомы довольно быстро стекают в ее основание под действием силы тяжести и конденсируются уже там привычным образом. Таким образом, на пути исследователей стоит гравитация, для преодоления которой в 2018 году на МКС была отправлена автономная лаборатория для работы с холодными атомными газами. Два года назад ученые из Лаборатории холодных атомов NASA рапортовали об успешном измерении свойств рождающегося в невесомости конденсата.

Теперь та же группа физиков под руководством Роберта Томпсона (Robert Thompson) и Джейсона Вильямса (‪Jason Williams‬) в коллаборации с коллегами из нескольких американских университетов сообщила о том, что им удалось надуть в установке пузыри холодного рубидиевого газа. Фотографируя тень пузырей, ученые увидели, что их размер может достигать миллиметра, а толщина стенок составляет несколько микрон. И хотя атомы в составе пузырей не конденсировались, работа авторов показывает, что космическая невесомость устраняет главную преграду на этом пути.

В основе техники формирования газовых пузырей, использованной в работе, лежит общий принцип атомных ловушек, который заключается в создании минимума в соответствующем потенциале. Применительно к сферической форме, однако, это оказалось нетривиальной задачей. Авторы решили ее с помощью двух различных магнитных полей.

Первое из них представляло собой постоянное поле, чей модуль авторы старались наделить радиальной симметрией относительно центра будущих пузырей. Действуя на атомы, это поле слегка меняет их энергию в зависимости от их полного момента F и его проекции M. Само по себе это поле формирует гармоническую магнитную ловушку вокруг центра.

Второе поле было переменным и достаточно интенсивным, чтобы связать два сверхтонких подуровня (авторы остановили свой выбор на паре состояний атома рубидия-87 |F = 2, m = 2⟩ и |F = 2, m = 1⟩). Замечательная особенность такой связи заключается в том, что систему «два уровня + переменное резонансное поле» можно описывать с помощью лишь пары переопределенных («одетых полем») состояний. В этом случае также переопределяется и потенциал, в котором оказывается одетый атом (физики в этом случае говорят об эффективном потенциале).

Энергия верхнего одетого уровня оказывается тем ниже, чем точнее выполняется условие резонанса. С другой стороны, резонансная частота зависит от величины магнитного поля. Это значит, что одновременное наложение обоих полей приводит к образованию эффективного энергетического минимума в виде сферического слоя, радиусом которого можно управлять, тонко отстраивая частоту колебаний переменного поля.

В компактной установке, отправленной физиками на МКС и удаленно управляемой с Земли, однако, не удалось достичь сферичности из-за ее плоской конфигурации. В результате ученые исследовали эллиптические пузыри в пропорции 3 к 1. Для их визуализации газ облучали резонансным светом. Чем плотнее был газ, тем сильнее он поглощал свет, и тем темнее было пятно на фотографии. Этот же метод физики использовали для измерения температуры газа, временно выключая все поля и через некоторое время фотографируя то, насколько далеко разлетелись атомы.

Фотографии показали, что холодный газ формировал скорее полупузыри, нежели полноценные замкнутые поверхности. Такое искажение было эквивалентно приложению к газу одной двухсотой доли земной гравитации, однако на самом деле оно было вызвано нестабильностью и ангармоничностью постоянного поля, а также неоднородностью переменного магнитного поля. В остальном газ вел себя согласно симуляциям, из которых следовало, что толщина облака была равна нескольким микрометрам. С помощью достаточно больших отстроек физикам удавалось создавать пузыри размерами более одного миллиметра.

Авторы исследовали их образование для различных радиусов и стартовых температур, которые лежали в диапазоне от одной до нескольких сотен нанокельвин. В частности, они выяснили, что увеличение радиуса пузыря охлаждает его. Кроме того, ученые посмотрели, как будет вести себя газ, если резко отключить переменное поле. Как и предполагалось, атомы в этом случае устремляются к центру магнитной ловушки, однако форма облака при этом оказывается достаточно сложной из-за интерференции между волновыми функциями, соответствующим различным квантовым числам.

Бозе-эйнштейновский конденсат — это, безусловно, высокие материи. Однако на МКС изучают и физику попроще. Так, недавно мы рассказывали, как туда отправили пачку конфет M&M’s, чтобы понять, как остывает созданный из них гранулированный газ.

Марат Хамадеев