Оновлення системи охолодження квантової лабораторії NASA на борту космічної станції
Екіпаж Міжнародної космічної станції (МКС) успішно запустив модернізовану Лабораторію холодних атомів (Cold Atom Lab, CAL) від NASA. Ця унікальна наукова установка призначена для глибшого дослідження фундаментальних властивостей матерії та розробки нових квантових технологій. Використовуючи унікальні умови мікрогравітації, лабараторія відкриває можливості для проведення передових досліджень, недоступних на Землі.
Квантова наука вивчає матерію на найменших масштабах, досліджуючи атоми, електрони та окремі частинки світла. Хоча атоми часто уявляють як тверді кульки, що стикаються, вони також демонструють хвильову природу. Атоми можуть одночасно перебувати у двох місцях або навіть проходити крізь перешкоди.
Лабораторія холодних атомів, розміром з мініхолодильник і керована з Землі, охолоджує атоми до температур нижче -237 градусів Цельсія (близько -459 градусів Фаренгейта). При таких екстремальних низьких температурах, наближених до абсолютного нуля, атоми утворюють макроскопічний квантовий об’єкт — конденсат Бозе-Ейнштейна (КБЕ). Це п’ятий стан матерії, що виходить за межі твердого, рідкого, газоподібного та плазми.
КБЕ демонструє закони квантової механіки, попри значно більші розміри порівняно з субатомними частинками. Мікрогравітація на низькій навколоземній орбіті сприяє подальшому розширенню цих квантових хвиль. У таких умовах матерія поводиться кардинально інакше, ніж у звичному нам досвіді.
«За найнижчих температур матерія демонструє поведінку, яка суттєво відрізняється від усього, що ми знаємо», — пояснює Джейсон Вільямс, провідний науковий співробітник Лабораторії холодних атомів у Лабораторії реактивного руху NASA (JPL). «Хвильова природа матерії стає домінуючою. Ультрахолодні атоми можуть проявляти властивості, які не тільки неочікувані, але й дозволяють проводити надзвичайно точні вимірювання часу, гравітації та руху. Наша лабораторія має багато інструментів, особливо з цим останнім оновленням, що дозволяють нам досліджувати природу Всесвіту».
Цей проєкт підтримує п’ять міжнародних наукових команд, які вивчають фундаментальну фізику. Він також дозволяє тестувати готовність квантових інструментів для майбутніх місій з дослідження Землі та космосу.
Принцип роботи
Основою Лабораторії холодних атомів є складний набір приладів, відомий як науковий модуль. Модернізований модуль, доставлений на МКС 11 квітня в рамках комерційної місії з поповнення запасів, дозволив розпочати експерименти нового типу.
Для кожного експерименту смужка металу (рубідію або калію) нагрівається до 400°C (750°F), утворюючи газ у вакуумній камері установки. Потім на газ спрямовуються лазери з певними частотами, що вивільняють енергію атомів і охолоджують їх, сповільнюючи їх рух. Після стадії лазерного охолодження газове хмару захоплює і утримує магнітний пастка.
За допомогою серії складних технік, лабораторія ще більше знижує енергію атомної хмари, майже зупиняючи її. Це максимізує час, протягом якого атоми перебувають у стані мікрогравітації. Хоча на Землі існують установки для вивчення ультрахолодних газів, CAL може досліджувати квантові гази в умовах мікрогравітації довше та при ще нижчих температурах.
«Як перший проєкт, що створив конденсат Бозе-Ейнштейна на орбіті, ми доводимо, що квантові технології можуть надійно працювати в космосі», — зазначає Ітан Елліотт, заступник керівника проєкту CAL у JPL. «У минулому столітті відбулася квантова революція, яка призвела до появи лазерів, мобільних телефонів та МРТ. Ми проводимо «Квант 2.0» — пряме маніпулювання великими квантовими станами — і сподіваємося на подібні досягнення в квантових технологіях, розвиваючи цю науку на орбіті».
Це вже четверте оновлення з моменту прибуття CAL на МКС у 2018 році. Ключові вдосконалення включають новий магнітний пастка, що дозволяє змінювати форму квантових газових хмар, надаючи вченим можливість тестувати різні властивості атомів. Оновлення також містить модернізовані металеві смуги, які слугують джерелами для цих газових хмар.
«Це найближче, що ми маємо до контролю над межею квантового світу», — говорить Камаль Удрірі, керівник проєкту CAL у JPL, маючи на увазі досягнення наднизьких температур. «Це нове оновлення розширює цю межу ще далі».
За словами Удрірі, модернізація «демонструє здатність NASA підтримувати лідерство США у космічних квантових технологіях, одночасно розвиваючи майбутні квантові прилади. Це позиціонує нас для фундаментальних досліджень, навігації, визначення часу та гравіметричного зондування Землі, Місяця та інших космічних об’єктів».
Більше про Лабораторію холодних атомів
Управління Каліфорнійським технологічним інститутом (Caltech) у Пасадені, JPL розробила, побудувала та експлуатує Лабораторію холодних атомів. Проєкт фінансується відділом біологічних та фізичних наук Директорату космічних місій NASA. Цей відділ сприяє науковим відкриттям та дослідженням, використовуючи космічні середовища для проведення експериментів, неможливих на Землі.
Вивчення біологічних та фізичних явищ в екстремальних умовах дозволяє дослідникам розширювати фундаментальні наукові знання. Це необхідно для подорожей на більші відстані та тривалішого перебування в космосі, а також приносить користь життю на Землі.
Щоб дізнатися більше про Лабораторію холодних атомів, відвідайте:
https://nasa.gov/cold-atom-laboratory/
За матеріалами: www.nasa.gov