Nkan naa ni ẹda meji; ohun gbogbo wa mejeeji bi patiku ati igbi. Ni iwọn otutu ti o sunmọ odo pipe, iseda igbi ti awọn ọta di akiyesi nipasẹ itankalẹ ni ibiti o han. Ni iru awọn iwọn otutu ultracold ni sakani nanoKelvin, awọn ọta naa ṣajọpọ sinu nkan ti o tobi kan ṣoṣo ati iyipada si ipo karun ti a pe ni Bose Eisenstein Condensate (BEC) eyiti o huwa bi igbi ni apo nla kan. Bii gbogbo awọn igbi, awọn ọta ni ipinlẹ yii n ṣe afihan lasan ti kikọlu ati awọn ilana kikọlu ti awọn igbi atomu le ṣe iwadi ni awọn ile-iwosan. Awọn interferometers Atomu ti a gbe lọ si agbegbe microgravity ti aaye ṣiṣẹ bi sensọ kongẹ pupọ ati pese aye lati wiwọn awọn isare ti ko lagbara julọ. Iyẹfun firiji kekere ti o ni iwọn tutu Atom Laboratory (CAL) ti o yipo lori Earth ti o wa lori Ibusọ Space Space International (ISS) jẹ ile-iwadii kan fun iwadii awọn gaasi kuatomu otutu-tutu ni agbegbe microgravity ti aaye. O ti ni igbegasoke pẹlu Atom Interferometer ni ọdun diẹ sẹhin. Gẹgẹbi ijabọ naa ti a tẹjade ni Oṣu Kẹjọ Ọjọ 13, Ọdun 2024), awọn oniwadi ti ṣe aṣeyọri awọn idanwo ipa-ọna. Wọn le wiwọn awọn gbigbọn ti ISS nipa lilo interferometer Mach-Zehnder-pulse mẹta lori ohun elo CAL ọkọ. Eyi jẹ igba akọkọ ti a lo sensọ kuatomu ni aaye lati ṣawari awọn iyipada ni agbegbe lẹsẹkẹsẹ. Idanwo keji pẹlu lilo interferometry Ramsey shear-wave lati ṣafihan awọn ilana kikọlu ni ṣiṣe kan. Awọn ilana jẹ akiyesi fun akoko isọdi-ọfẹ ti o ju 150 ms. Eyi jẹ ifihan ti o gunjulo ti iseda igbi ti awọn ọta ni isunmọ ni aaye. Ẹgbẹ iwadii naa tun wọn Bragg laser photon recoil bi ifihan ti sensọ kuatomu akọkọ nipa lilo interferometry atom ni aaye. Awọn idagbasoke wọnyi jẹ pataki. Gẹgẹbi awọn sensọ kongẹ julọ, awọn interferometers ultracold atom interferometers ti o da lori aaye le ṣe iwọn awọn isare ti ko lagbara pupọ nitorinaa nfunni awọn aye fun awọn oniwadi lati ṣawari awọn ibeere (gẹgẹbi ọrọ dudu ati agbara dudu, asymmetry ọrọ-egboogi-ọrọ, isọdọkan ti walẹ pẹlu awọn aaye miiran) pe Ibasepo Gbogbogbo ati Awoṣe Standard ti fisiksi patiku ko le ṣe alaye ati kun aafo ni oye wa ti agbaye.
Awọn igbi ṣe afihan iṣẹlẹ ti kikọlu, ie, meji tabi diẹ ẹ sii awọn igbi ti o ni ibamu pọ lati fun ni dide si igbi abajade eyiti o le ni iwọn giga tabi isalẹ ti o da lori awọn ipele ti apapọ awọn igbi. Ninu ọran ti ina, a rii awọn igbi ti o ni abajade ni irisi dudu ati ina.
Interferometry jẹ ọna ti wiwọn awọn abuda nipa lilo iṣẹlẹ kikọlu. O kan pipin igbi iṣẹlẹ naa si awọn ina meji eyiti o rin awọn ọna oriṣiriṣi lẹhinna darapọ lati ṣe apẹrẹ kikọlu abajade abajade tabi awọn eteti (ninu ọran ti ina). Ilana kikọlu ti abajade jẹ ifarabalẹ si awọn ayipada ninu awọn ipo ti awọn ọna irin-ajo ti awọn opo, fun apẹẹrẹ, eyikeyi iyipada ni gigun ti ọna irin-ajo tabi ni eyikeyi aaye ni ibatan si awọn ipa gigun gigun ni ipa ilana kikọlu ati pe o le ṣee lo fun awọn wiwọn.
de Broglie igbi tabi ọrọ igbi
Nkan naa ni ẹda meji; o wa mejeeji bi patiku bi daradara bi igbi. Gbogbo patiku gbigbe tabi ohun kan ni ihuwasi igbi ti a fun nipasẹ de Broglie Equation
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
ibi ti λ ti wa ni wefulenti, h ni Planck ká ibakan, m jẹ ibi-, v jẹ ere sisa ti awọn patiku, p jẹ ipa, K ni Boltzmann ibakan, ati T ni otutu ni Kelvin.
Awọn igbona de Broglie wefulenti jẹ inversely iwon si square root ti otutu ni kelvin itumo λ yoo jẹ tobi ni kekere otutu.
Iwadi ti ultra tutu atom igbi
Fun atomu aṣoju, de Broglie wefulenti ni iwọn otutu yara wa ni aṣẹ ti angstrom (10).-10 m) viz. 0.1 nanometer (1 nm=10-9 m). Ìtọjú ti a fi fun wefulenti le yanju awọn alaye ni iwọn kanna iwọn. Imọlẹ ko le yanju awọn alaye ti o kere ju iwọn igbi rẹ lọ nitoribẹẹ atomu aṣoju kan ni iwọn otutu yara ko le ṣe aworan ni lilo ina ti o han ti o ni iwọn gigun ni iwọn 400 nm si 700 nm. Awọn egungun X-ray le ṣe nitori iwọn gigun ti angstrom rẹ ṣugbọn agbara giga rẹ ba awọn ọta pupọ ti o yẹ ki o ṣe akiyesi jẹ. Nitorinaa, ojutu naa wa ni idinku iwọn otutu ti atom (si isalẹ 10-6 kelvin) ki awọn de Broglie wefulenti ti awọn ọta pọ ati ki o di afiwera si awọn wefulenti ina han. Ni awọn iwọn otutu ultracold, iseda igbi ti awọn ọta di iwọnwọn ati ibaramu fun interferometry.
Bi iwọn otutu ti awọn ọta ti dinku siwaju ni sakani nanokelvin (10-9 kelvin) wa si iwọn 400 nK, iyipada atomiki bosons si ọrọ ipinlẹ karun ti a pe ni Bose-Einstein condensate (BCE). Ni iru awọn iwọn otutu kekere ti o sunmọ odo pipe nigbati awọn agbeka igbona ti awọn patikulu di aifiyesi pupọ, awọn ọta n ṣajọpọ sinu nkan ti o tobi pupọ kan ti o huwa bi igbi ni apo nla kan. Ipo ti awọn ọta n pese aye si awọn oniwadi lati ṣe iwadi awọn ọna ṣiṣe kuatomu lori iwọn macroscopic kan. Atomiki akọkọ BCE ni a ṣẹda ni ọdun 1995 ni gaasi ti awọn ọta rubidium. Lati igbanna, agbegbe yii ti rii ọpọlọpọ awọn ilọsiwaju ni imọ-ẹrọ. Awọn molikula BEC ti awọn moleku NaCs ni a ṣẹda laipẹ ni iwọn otutu ultracold ti 5 nanoKelvin (nK).
Awọn ipo microgravity ni aaye dara julọ fun iwadii ẹrọ kuatomu
Walẹ ti o wa ninu awọn ile-iṣẹ ti o da lori ilẹ nilo lilo pakute oofa lati mu awọn ọta mu ni aye fun itutu agbaiye ti o munadoko. Walẹ tun ṣe opin akoko ibaraenisepo pẹlu awọn BEC ni awọn ile-iṣọ ti ilẹ. Ibiyi ti awọn BEC ni agbegbe microgravity ti awọn ile-iṣere aaye ti o bori awọn idiwọn wọnyi. Ayika Microgravity le ṣe alekun akoko ibaraenisepo ati dinku awọn idamu lati aaye ti a lo, nitorinaa ṣe atilẹyin iwadii ẹrọ kuatomu dara julọ. BCE ti wa ni ipilẹṣẹ nigbagbogbo labẹ awọn ipo microgravity ni aaye.
Tutu Atom yàrá (CAL) ni International Space Station (ISS)
Cold Atom Laboratory (CAL) jẹ ile-iṣẹ iwadii olumulo-ọpọlọpọ ti o da ni Ibusọ Space Space International (ISS) fun iwadi ti awọn gaasi kuatomu otutu-tutu ni agbegbe microgravity ti aaye. CAL ti ṣiṣẹ latọna jijin lati ile-iṣẹ iṣiṣẹ ni ile-iṣẹ Jet Propulsion Laboratory.
Ni aaye orisun aaye yii, o ṣee ṣe lati ni awọn akoko akiyesi ju iṣẹju-aaya 10 lọ ati awọn iwọn otutu ultracold ni isalẹ 100 picoKelvin (1 pK= 10-12 Kelvin) fun iwadi ti awọn iṣẹlẹ kuatomu.
A ṣe ifilọlẹ Cold Atom Lab ni 21 May 2018 ati pe a fi sori ẹrọ lori ISS ni ipari May 2018. A ṣẹda Bose-Einstein Condensate (BEC) ni aaye orisun aaye yii ni Oṣu Keje 2018. Eyi ni igba akọkọ; ipinle karun ti ọrọ ti a da ni Earth yipo. Nigbamii, ohun elo naa ni igbega ni atẹle imuṣiṣẹ ti awọn interferometers atom ultracold.
CAL ti ṣaṣeyọri ọpọlọpọ awọn iṣẹlẹ pataki ni awọn ọdun aipẹ. Rubidium Bose–Einstein condensates (BECs) ni a ṣe ni aaye ni ọdun 2020. O tun ṣe afihan pe agbegbe microgravity jẹ anfani fun idanwo-atomiki tutu.
Ni ọdun to kọja, ni ọdun 2023, awọn oniwadi ṣe agbejade awọn ẹya meji-meji BEC ti o ṣẹda lati 87Rb ati 41K ati afihan igbakana atom interferometry pẹlu awọn ẹya atomiki meji fun igba akọkọ ni aaye ni Tutu Atom Laboratory apo. Awọn aṣeyọri wọnyi jẹ pataki fun awọn idanwo kuatomu ti gbogbo agbaye ti isubu ọfẹ (UFF) ni aaye.
Ilọsiwaju aipẹ ni awọn imọ-ẹrọ kuatomu ti o da lori aaye
Gẹgẹbi ijabọ naa ti a tẹjade ni Oṣu Kẹjọ Ọjọ 13, Ọdun 2024), awọn oniwadi gbaṣẹ 87Awọn ọta Rb ninu interferometer CAL atomu ati ni aṣeyọri ṣe awọn idanwo wiwa ipa-ọna mẹta. Wọn le wiwọn awọn gbigbọn ti ISS nipa lilo interferometer Mach-Zehnder-pulse mẹta lori ohun elo CAL ọkọ. Eyi jẹ igba akọkọ ti a lo sensọ kuatomu ni aaye lati ṣawari awọn iyipada ni agbegbe lẹsẹkẹsẹ. Idanwo keji pẹlu lilo interferometry Ramsey shear-wave lati ṣafihan awọn ilana kikọlu ni ṣiṣe kan. Awọn ilana jẹ akiyesi fun akoko isọdi-ọfẹ ti o ju 150 ms. Eyi jẹ ifihan ti o gunjulo ti iseda igbi ti awọn ọta ni isunmọ ni aaye. Ẹgbẹ iwadii naa tun wọn Bragg laser photon recoil bi ifihan ti sensọ kuatomu akọkọ nipa lilo interferometry atom ni aaye.
Pataki ti ultracold atomu interferometers ransogun sinu aaye
Atomu interferometers ijanu awọn kuatomu iseda ti awọn ọta ati ki o jẹ gidigidi kókó si awọn ayipada ninu isare tabi awọn aaye nibi ni awọn ohun elo bi ga konge irinṣẹ. Awọn interferometers ti o da lori ilẹ-aye ni a lo lati ṣe iwadi walẹ ati ni awọn imọ-ẹrọ lilọ kiri.
Awọn interferometers ti o da lori aaye ni awọn anfani ti agbegbe microgravity itẹramọṣẹ eyiti o funni ni awọn ipo isubu ọfẹ pẹlu ipa ti o dinku pupọ ti awọn aaye. O tun ṣe iranlọwọ fun awọn condensates Bose-Einstein (BECs) de awọn iwọn otutu tutu ni iwọn picoKelvin ati pe o wa fun igba pipẹ. Ipa apapọ jẹ akoko akiyesi ti o gbooro nitorinaa aye ti o dara julọ lati kawe. Eyi n funni ni awọn interferometers ultracold atom ti a gbe lọ si aaye pẹlu awọn agbara wiwọn pipe-giga ati jẹ ki wọn jẹ awọn sensọ-giga.
Awọn interferometers atomu Ultracold ti a fi ranṣẹ si aaye le ṣe awari awọn iyatọ arekereke pupọ ninu walẹ eyiti o jẹ itọkasi iyatọ ninu awọn iwuwo. Eyi le ṣe iranlọwọ ninu iwadi ti akopọ ti awọn ara aye ati eyikeyi awọn iyipada pupọ.
Wiwọn konge giga ti walẹ tun le ṣe iranlọwọ ni oye ọrọ dudu dara dara ati agbara dudu ati ni iṣawari ti awọn ipa arekereke ti o kọja Ibasepo Gbogbogbo ati Awoṣe Standard eyiti o ṣapejuwe Agbaye akiyesi.
Ibasepo Gbogbogbo ati Awoṣe Standard jẹ awọn imọ-jinlẹ meji ti o ṣe apejuwe Agbaye ti o ṣe akiyesi. Awoṣe boṣewa ti fisiksi patiku jẹ ipilẹ ẹkọ aaye kuatomu. O ṣe apejuwe nikan 5 % ti Agbaye, iyokù 95% wa ni awọn fọọmu dudu (ọrọ dudu ati agbara dudu) ti a ko loye. Awoṣe Standard ko le ṣe alaye ọrọ dudu ati agbara dudu. Ko le ṣe alaye asymmetry ọrọ-antimatter daradara. Bakanna, walẹ ko le ṣe isokan pẹlu awọn aaye miiran sibẹsibẹ. Otitọ ti agbaye ko ṣe alaye ni kikun nipasẹ awọn imọ-jinlẹ lọwọlọwọ ati awọn awoṣe. Awọn accelerators nla ati awọn akiyesi ko lagbara lati tan imọlẹ lori pupọ julọ awọn ohun ijinlẹ ti iseda wọnyi. Gẹgẹbi awọn sensọ to peye julọ, awọn interferometers ultracold atom interferometers ti o da lori aaye nfunni awọn aye fun awọn oniwadi lati ṣawari awọn ibeere wọnyi lati kun aafo ni oye wa ti agbaye.
***
To jo:
- Meystre, Pierre 1997. Nigbati awọn ọta di igbi. Wa ni https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Tutu Atomu yàrá - Agbaye apinfunni. Wa ni https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, ati bẹbẹ lọ. Akiyesi ti awọn condensates Bose–Einstein ninu ile-iwadii ti n yiyipo Earth. Iseda 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Awọn idapọ gaasi kuatomu ati awọn ẹya meji-meji atomu interferometry ni aaye. Iseda 623, 502-508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Williams, JR, et al 2024. Pathfinder adanwo pẹlu atom interferometry ni Tutu Atomu Lab lori awọn International Space Station. Nat Commun 15, 6414. Atejade: 13 August 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Ẹya titẹjade tẹlẹ https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- NASA ṣe afihan sensọ kuatomu 'Ultra-Cool' fun Akoko akọkọ ni Space. Atejade 13 August 2024.Wa ni https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
