Niemieccy naukowcy uzyskali rekordowo niską temperaturę 38 pikokelwinów. Osiągnięcie to było możliwe dzięki zastosowaniu nowego sposobu kontrolowania ekspansji materii w swobodnie opadającym kondensacie Bosego-Einsteina.
Naukowcom z Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze, ZARM na Uniwersytecie w Bremie, Uniwersytetu Humboldta w Berlinie i Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji udało się wytworzyć najzimniejszą temperaturę, jaką kiedykolwiek zmierzono: 38 pK (pikokelwinów, 10-12 K) powyżej zera absolutnego. Metoda, która pozwoliła badaczom na obrazowanie ewolucji kondensatu otwiera drzwi do ulepszonych pomiarów stałej grawitacji, a nawet może zaoferować alternatywny sposób wykrywania fal grawitacyjnych. Wyniki badań ukazały się na łamach pisma „Physical Review Letters” (DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.100401).
Kondensat Bosego-Einsteina to stan skupienia materii, który występuje w skrajnie niskich temperaturach, niewiele tylko wyższych od temperatury zera bezwzględnego (minus 273,15 stopni Celsjusza = 0 K). Gdy materia osiąga ten stan skupienia, uwidaczniają się jej kwantowe właściwości. Atomy w kondensacie są tak zimne, że zachowują się bardziej jak fale niż jak cząstki. Co więcej, ponieważ fale poszczególnych atomów nakładają się na siebie, to kondensat zachowuje się jak jeden „superatom”. Kondensat Bosego-Einsteina tworzy jedną wielką falę materii, która jest sumą setek tysięcy tworzących go atomów. Pierwszy kondensat stworzono eksperymentalnie w 1995 roku, a pracujące nad nim zespoły naukowców zostały uhonorowane w 2001 roku Nagrodą Nobla.
Tradycyjnie wyróżnia się 3 stany skupienia materii: stan gazowy, ciekły i stały. Możliwość wystąpienia nowej, nieznanej formy materii, przewidział w 1924 roku Albert Einstein oraz Satyendra Nath Bose. Ich teoria przewidywała, że jeśli bardzo mocno schłodzi się chmurę gazu pod odpowiednio niskim ciśnieniem, to podzieli się ona na dwie frakcje: standardową, w której cząstki poruszają się chaotycznie w różnych kierunkach ze średnią prędkością zależną od temperatury oraz na kondensat Bosego-Einsteina, utworzony z cząstek, które będą lewitować praktycznie nieruchomo.
Kondensat Bosego-Einsteina to skupiska cząstek w tym samym podstawowym stanie kwantowym. Odkąd zostały po raz pierwszy stworzone eksperymentalnie w 1995 roku, stały się poligonem doświadczalnym do badań kwantowej natury materii. Badania takie prowadzi się chociażby z wykorzystaniem interferometru atomowego, wykorzystującego falowy charakter atomów. Kiedy robi się to za pomocą swobodnie opadającego kondensatu Bosego-Einsteina, wynikowy wzór interferencji będzie zależał częściowo od efektów grawitacyjnych, co czyni takie eksperymenty czułymi testami podstawowych procesów fizycznych. Jednakże, gdy kondensat Bosego-Einsteina zostanie uwolniony z pułapki magnetycznej, w której jest tworzony, odpychające oddziaływania między jego cząstkami szybko przekształcają się w energię kinetyczną. To powoduje, że kondensat Bosego-Einsteina rozszerza się, aż stanie się zbyt rozrzedzony, aby można go było wykryć za pomocą standardowego obrazowania absorpcyjnego, w którym wiązka laserowa jest przesyłana przez kondensat, a kamera mierzy, ile światła pochłonęły cząstki.
Ponieważ rozdzielczość interferometru rośnie wraz z kwadratem czasu swobodnego opadania, ograniczenie rozszerzania się kondensatu ma kluczowe znaczenie. W tym celu fizycy wykorzystują siły magnetyczne, optyczne lub elektrostatyczne do skupiania kondensatu, podobnie jak soczewki skupiają światło. Te tak zwane metody soczewkowania materia-fala mogą schłodzić efektywną temperaturę kondensatu Bosego-Einsteina do nawet 50 pK. Wpływają jednak na temperaturę tylko wzdłuż jego średnicy kondensatu, a nie w osi jego opadania. Stąd, nawet przy soczewkowaniu materia-fala, kondensat Bosego-Einsteina podczas swobodnego spadania nadal szybko się rozszerza.
Ciepło jest miarą prędkości, z jaką poruszają się cząstki materii. Obniżanie temperatury w tym rozumieniu będzie niczym innym jak spowalnianiem ruchu cząstek. Stąd też zapis temperatury w pobliżu zera absolutnego nie może być zmierzony termometrem, ale wynika z niezwykle spowolnionego ruchu obserwowanych cząstek czy atomów w ultrazimnym gazie, czyli w kondensacie Bosego-Einsteina.
Kondensat Bosego-Einsteina reprezentuje szczególny, kwantowy stan materii, który występuje w najniższych temperaturach i w którym poszczególne atomy tworzą, pojedynczą, spójną falę materii. Przy tego rodzaju falach materii można w sposób analogiczny do fal świetlnych zbudować bardzo czułe przyrządy pomiarowe, wspomniane wcześniej interferometry, w celu pomiaru np. obrotów, przyspieszeń czy najmniejszych zmian siły grawitacji działającej na atomy. Pierwszy z nich może służyć do bardziej precyzyjnej nawigacji, drugi do testowania podstawowych teorii fizycznych.
Nowa metoda rozwiązuje problem szybkiego rozszerzania się kondensatu Bosego-Einsteina poprzez zmianę pola magnetycznego w pułapce do wychwytywania kondensatu w sposób, który powoduje jego oscylację, przekształcając je z kuli w cienką elipsę. Kondensat następnie wchodzi w swobodny spadek, gdy jego wymiar osiowy osiąga najcieńszy punkt, co zapewnia możliwie niski stopień rozszerzalności. Soczewkowanie magnetyczne dodatkowo kontroluje rozszerzanie się kondensatu w kierunkach promieniowych.
Aby przetestować swoją technikę, naukowcy pod kierunkiem Ernsta Rasela z Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze wykorzystali wieżę o wysokości 110 metrów w Bremie w Niemczech. Zespół rozpoczął od stworzenia kondensatu Bosego-Einsteina z chmury około 100 tys. atomów rubidu. Atomy te następnie poddano swobodnemu spadkowi trwającemu 4,74 sekundy, podczas którego w różnych punktach wykonano zdjęcia absorpcyjne.
Kiedy zespół zobrazował swobodnie spadający kondensat Bosego-Einsteina bez żadnych technik jego kontrolowania, odkrył, że kondensat uległ degradacji w ciągu 160 milisekund od uwolnienia. Jednak stosując nową technikę, naukowcy osiągnęli rekordowo niską efektywną temperaturę 38 pK i obrazowali kondensat Bosego-Einsteina przez ponad 2 sekundy. - Nasze metody umożliwiają nowe eksperymenty i znacznie ulepszają już istniejące – mówi Ernst Rasel.
Eksperymenty wykazały, że ruch atomów w kondensacie można spowolnić, tak aby osiągnięta została efektywna temperatura 38 pikokelwinów powyżej zera absolutnego. Odpowiada to 38 bilionowych części stopnia powyżej zera bezwzględnego - absolutny rekord.
Zespół twierdzi, że bardziej złożone konfiguracje soczewek magnetycznych mogą zmniejszyć niektóre ograniczenia obecnej konfiguracji, zapewniając jeszcze ściślejszą kontrolę nad ekspansją kondensatu. Obniżenie liczby atomów wewnątrz kondensatu może również obniżyć szybkość ekspansji, zmniejszając efektywną temperaturę do zaledwie 14 pK. Mogłoby to jednak również skrócić całkowity czas obrazowania, ponieważ mniejszy kondensat szybciej stałby się zbyt rozrzedzony. Symulacje komputerowe wskazują, że kondensat może teoretycznie być utrzymywany w stanie nieważkości przez 17 sekund za pomocą nowego systemu soczewek.
Badania związane z kondensatem Bosego-Einsteina i chmurami zimnych atomów przyspieszają rozwój wielu nowych technologii. Chmury zimnych atomów są już m.in. rutynowo używane w najdokładniejszych na świecie zegarach atomowych. Stosunkowo niedawno zaczęto je także wykorzystywać do bardzo precyzyjnych pomiarów pól magnetycznych i grawitacyjnych. Dzięki temu możliwy jest już na przykład pomiar przyciągania grawitacyjnego wywołanego masą człowieka (i to nawet szczupłego). W przyszłości może to pozwolić na badania ruchów mas w głębi Ziemi i przewidywanie trzęsień Ziemi. Osobną gałęzią badań nad kondensatem Bosego-Einsteina jest też wykorzystanie go do budowy komputerów kwantowych. Idea komputerów kwantowych jest oparta na kwantowych bitach, zwanych kubitami, w których "0" i "1" mogą występować jednocześnie. Ich zastosowanie pozwoli wykonywać złożone zadania matematyczne, szybciej niż jest to możliwe z wykorzystaniem klasycznych komputerów.
Źródło: Uniwersytet w Bremie, Physics World, fot. Centrum Fizyki Teoretycznej PAN. Na zdjęciu aparatura w laboratorium w Aarhus w Danii wykorzystana do wytwarzania kondensatu Bosego-Einsteina. Głównym jej elementem jest pułapka magnetooptyczna wykorzystująca pole magnetyczne i światło laserów do ochłodzenia badanych atomów. Widoczna wewnątrz szklanej kolby jasnoczerwona plama to chmura uwięzionych w pułapce atomów, w której formuje się kondensat Bosego-Einsteina. Wewnątrz tej kolby panuje ciśnienie miliard razy mniejsze niż ciśnienie atmosferyczne.