Materie hat dûbele natuer; alles bestiet sawol as partikel as welle. By in temperatuer tichtby it absolute nul wurdt de weachaard fan atomen waarnommen troch strieling yn sichtber berik. By sokke ultrakâlde temperatueren yn nanoKelvin berik, de atomen gear yn in inkele gruttere entiteit en oergong nei fyfde steat neamd Bose Eisenstein Condensate (BEC) dy't gedraacht as in weach yn in grut pakket. Lykas alle weagen, atomen yn dizze steat werjaan it ferskynsel fan ynterferinsje en de ynterferinsje patroanen fan atoom weagen kinne wurde bestudearre yn de laboratoaria. Atom-interferometers ynset yn mikrogravity-omjouwing fan 'e romte fungearje as in ekstreem krekte sensor en jouwe kâns om de measte swakke fersnellingen te mjitten. De mini-koelkastgrutte Cold Atom Laboratory (CAL) dy't de ierde rûn oan board fan International Space Station (ISS) is in ûndersyksynstallaasje foar de stúdzje fan ultra-kâlde kwantumgassen yn 'e mikrogravity-omjouwing fan' e romte. It waard in pear jier lyn opwurdearre mei Atom Interferometer. Neffens it rapport publisearre op 13 augustus 2024), hawwe ûndersikers mei súkses eksperiminten foar paadwizers útfierd. Se koene trillingen fan it ISS mjitte mei in trije-puls Mach-Zehnder-interferometer oan board fan CAL-foarsjenning. Dit wie de earste kear dat in kwantumsensor yn romte waard brûkt om feroaringen yn direkte omjouwing te detektearjen. It twadde eksperimint befette gebrûk fan Ramsey shear-wave interferometry om ynterferinsjepatroanen yn ien run te manifestearjen. De patroanen wiene waarneembaar foar mear dan 150 ms frije-útwreidingstiid. Dit wie de langste demonstraasje fan 'e welle natuer fan atomen yn frije fal yn romte. It ûndersyksteam hat ek de Bragg-laserfotonrecoil mjitten as in demonstraasje fan 'e earste kwantumsensor mei atominterferometry yn romte. Dizze ûntjouwings binne wichtich. As de meast krekte sensoren kinne de romte-basearre ultrakâlde atoominterferometers ekstreem swakke fersnellingen mjitte, en biede dêrom kânsen foar ûndersikers om de fragen te ferkennen (lykas tsjustere matearje en tsjustere enerzjy, materie-anti-materie asymmetry, ferieniging fan swiertekrêft mei oare fjilden) dat Algemiene Relativiteit en it Standertmodel fan dieltsjefysika it gat yn ús begryp fan it universum net kinne ferklearje en folje.
Wellen litte it ferskynsel fan ynterferinsje sjen, dat wol sizze, twa of mear gearhingjende weagen kombinearje om in resultearjende weach te jaan dy't in hegere of legere amplitude kin hawwe ôfhinklik fan 'e fazen fan 'e kombinearjende weagen. Yn it gefal fan ljocht sjogge wy resultearjende weagen yn 'e foarm fan tsjustere en ljochte franjes.
Interferometry is in metoade foar it mjitten fan skaaimerken mei it ferskynsel fan ynterferinsje. It giet om it splitsen fan de ynfallende welle yn twa balken dy't ferskate paden reizgje en dan kombinearje om resultearend ynterferinsjepatroan of franjes te foarmjen (yn it gefal fan ljocht). It resultearjende ynterferinsjepatroan is gefoelich foar feroaringen yn 'e betingsten fan' e reispaden fan 'e balken, bygelyks elke feroaring yn' e lingte fan 'e reispaad of yn elk fjild yn relaasje ta golflingte beynfloedet ynterferinsjepatroan en kin brûkt wurde foar mjittingen.
de Broglie wave of materie wave
Materie hat dûbele natuer; it bestiet sawol as partikel as welle. Elk bewegend dieltsje of objekt hat in welle karakteristyk jûn troch de Broglie Equation
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
wêrby't λ de golflingte is, h is de konstante fan Planck, m is de massa, v is de snelheid fan it dieltsje, p is it momentum, K is de Boltzmann-konstante, en T is de temperatuer yn Kelvin.
De thermyske golflingte fan Broglie is omkeard evenredich mei de fjouwerkantswoartel fan temperatuer yn kelvin, wat betsjut dat λ grutter sil wêze by legere temperatuer.
Stúdzje fan ultra kâlde atoomwellen
Foar in typysk atoom is de de Broglie-golflingte by keamertemperatuer yn folchoarder fan angstrom (10-10 m) wyb. 0.1 nanometer (1 nm=10-9 m). In strieling fan in opjûne golflingte kin details oplosse yn itselde grutte berik. Ljocht kin gjin details oplosse dy't lytser binne as de golflingte, dus kin in typysk atoom by keamertemperatuer net ôfbylde wurde mei sichtber ljocht dat in golflingte hat yn it berik fan sawat 400 nm oant 700 nm. Röntgenstralen kinne dwaan fanwegen de golflingte fan 'e angstromberik, mar syn hege enerzjy ferneatiget de atomen dy't it moat observearje. Dêrom leit de oplossing yn it ferminderjen fan de temperatuer fan it atoom (nei ûnder 10-6 kelvin) sadat de de Broglie-golflingten fan 'e atomen ferheegje en fergelykber wurde mei de golflingten fan sichtber ljocht. By ultrakâlde temperatueren wurdt de welle natuer fan 'e atomen mjitber en relevant foar ynterferometry.
As de temperatuer fan atomen fierder wurdt ferlege yn nanokelvin-berik (10-9 kelvin) berikke oant sawat 400 nK, de atomyske bosonen oergong nei de fyfde steat matearje neamd Bose-Einstein condensate (BCE). By sokke ultra-lege temperatueren tichtby it absolute nul as de thermyske bewegingen fan dieltsjes ekstreem ferwaarlooslik wurde, fusearje de atomen yn in inkele gruttere entiteit dy't him gedraacht as in golf yn in grut pakket. Dizze steat fan atomen biedt kâns oan ûndersikers om kwantumsystemen op makroskopyske skaal te studearjen. De earste atomêre BCE waard makke yn 1995 yn in gas fan rubidium atomen. Sûnt dy tiid hat dit gebiet in protte ferbetteringen yn technology sjoen. De molekulêre BEC fan NaCs-molekulen waard koartlyn makke by in ultrakâlde temperatuer fan 5 nanoKelvin (nK).
Mikrogravity-omstannichheden yn 'e romte is better foar kwantummeganysk ûndersyk
De swiertekrêft yn 'e ierde-basearre laboratoaria fereasket gebrûk fan magnetyske trap om de atomen yn plak te hâlden foar in effektive koeling. Gravity beheint ek de ynteraksjetiid mei de BEC's yn 'e ierdske laboratoaren. De formaasje fan BEC's yn mikrogravity-omjouwing fan romte-basearre laboratoaren oerwint dizze beheiningen. Mikrogravity-omjouwing kin ynteraksjetiid ferheegje en fersteuringen fan it tapaste fjild ferminderje, dêrmei kwantummeganysk ûndersyk better stypje. BCE's wurde no regelmjittich foarme ûnder mikrogravity-omstannichheden yn 'e romte.
Cold Atom Laboratory (CAL) by it International Space Station (ISS)
Cold Atom Laboratory (CAL) is in ûndersyksynstallaasje foar meardere brûkers basearre op International Space Station (ISS) foar de stúdzje fan ultrakâlde kwantumgassen yn 'e mikrogravity-omjouwing fan romte. CAL wurdt op ôfstân betsjinne fan it operaasjesintrum by it Jet Propulsion Laboratory.
Op dizze romte-basearre foarsjenning is it mooglik om observaasjetiden te hawwen oer 10 sekonden en de ultrakâlde temperatueren ûnder 100 picoKelvin (1 pK = 10-12 Kelvin) foar de stúdzje fan kwantumferskynsels.
De Cold Atom Lab waard lansearre op 21 maaie 2018 en waard ynstallearre op it ISS ein maaie 2018. In Bose-Einstein Condensate (BEC) waard makke yn dizze romte-basearre foarsjenning yn july 2018. Dit wie de earste kear; in fyfde steat fan matearje waard makke yn ierde baan. Letter waard de foarsjenning opwurdearre nei ynset fan ultrakâlde atoominterferometers.
CAL hat de lêste jierren in protte mylpealen berikt. Rubidium Bose-Einstein condensates (BECs) waard produsearre yn romte yn 2020. It waard ek oantoand dat microgravity omjouwing is foardielich foar kâld-atom eksperimint.
Ferline jier, yn 2023, produsearren ûndersikers dûbele soarten BEC foarme út 87Rb en 41K en demonstrearre simultane atominterferometry mei twa atomêre soarten foar it earst yn romte yn Cold Atom Laboratory foarsjenning. Dizze prestaasjes wiene wichtich foar kwantumtests fan universaliteit fan frije fal (UFF) yn 'e romte.
Resinte foarútgong yn romte-basearre kwantumtechnologyen
Neffens it rapport publisearre op 13 augustus 2024), wurken ûndersikers 87Rb-atomen yn 'e CAL-atoominterferometer en hawwe mei súkses trije eksperiminten foar it finen fan paad útfierd. Se koene trillingen fan it ISS mjitte mei in trije-puls Mach-Zehnder-interferometer oan board fan CAL-foarsjenning. Dit wie de earste kear dat in kwantumsensor yn 'e romte waard brûkt om feroaringen yn direkte omjouwing te detektearjen. It twadde eksperimint befette gebrûk fan Ramsey shear-wave interferometry om ynterferinsjepatroanen yn ien run te manifestearjen. De patroanen wiene waarneembaar foar mear dan 150 ms frije-útwreidingstiid. Dit wie de langste demonstraasje fan 'e welle natuer fan atomen yn frije fal yn romte. It ûndersyksteam hat ek de Bragg-laserfotonrecoil mjitten as in demonstraasje fan 'e earste kwantumsensor mei atominterferometry yn romte.
Belang fan ultrakâlde atoominterferometers ynset yn romte
Atoominterferometers benutten de kwantumaard fan atomen en binne ekstreem gefoelich foar feroaringen yn fersnelling of fjilden, dus hawwe applikaasjes as ark mei hege presyzje. Ierde-basearre atoominterferometers wurde brûkt om swiertekrêft te studearjen en yn avansearre navigaasjetechnologyen.
Romte-basearre atoom-interferometers hawwe foardielen fan oanhâldende mikrogravity-omjouwing dy't frije falbetingsten biedt mei folle minder ynfloed fan fjilden. It helpt ek Bose-Einstein condensates (BECs) berikke kâldere temperatueren yn picoKelvin berik en bestean foar langere doer. It netto-effekt is ferlingde observaasjetiid, dus bettere kâns om te studearjen. Dit jout ultrakâlde atoominterferometers ynset yn romte mei mjitmooglikheden mei hege presyzje en meitsje se supersensoren.
Ultrakâlde atoominterferometers ynset yn romte kinne heul subtile fariaasjes yn swiertekrêft detectearje, wat oanjout foar fariaasje yn tichtens. Dit kin helpe by it bestudearjen fan gearstalling fan planetêre lichems en alle massa feroarings.
Hege presyzje mjitting fan swiertekrêft kin ek helpe om tsjustere matearje en tsjustere enerzjy better te begripen en yn ferkenning fan subtile krêften bûten Algemiene Relativity en it Standertmodel dy't it waarneembare universum beskriuwe.
Algemiene relativiteit en it Standertmodel binne de twa teoryen dy't it waarneembare universum beskriuwe. Standert model fan partikelfysika is yn prinsipe kwantumfjildteory. It beskriuwt mar 5% fan it hielal, de rest 95% is yn tsjustere foarmen (tsjustere matearje en tsjustere enerzjy) dy't wy net begripe. It standertmodel kin donkere matearje en tsjustere enerzjy net ferklearje. It kin de materie-antimaterie-asymmetry ek net ferklearje. Likemin koe swiertekrêft noch net ferienige wurde mei de oare fjilden. De realiteit fan it universum wurdt net folslein ferklearre troch de hjoeddeistige teoryen en modellen. Giant accelerators en observatoria binne net yn steat om ljocht te smiten op in protte fan dizze mystearjes fan 'e natuer. As de meast krekte sensoren biede de romte-basearre ultrakâlde atoominterferometers kânsen foar ûndersikers om dizze fragen te ferkennen om it gat te foljen yn ús begryp fan it universum.
***
Referinsjes:
- Meystre, Pierre 1997. As atomen weagen wurde. Beskikber by https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Cold Atom Laboratory - Universe Missions. Beskikber by https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, et al. Observaasje fan Bose-Einstein-kondensaten yn in ierde-orbiting ûndersykslabo. Nature 582, 193-197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP, et al. Quantum gasmengsels en dual-species atom interferometry yn romte. Natuer 623, 502-508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Williams, JR, en oaren 2024. Pathfinder eksperiminten mei atoominterferometry yn it Cold Atom Lab oan board fan it International Space Station. Nat Commun 15, 6414. Publisearre: 13 augustus 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Preprint ferzje https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- NASA demonstrearret 'Ultra-Cool' Quantum Sensor foar earste kear yn 'e romte. Publisearre 13 augustus 2024.Avaialble at https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
