Universets kuleste lab satt til Open Quantum World


Instrumenter på NASAs Cold Atom Laboratory (kunstnerens konsept ovenfor) vil bruke lasere og andre teknikker til å koble atomer til nesten absolutt null. Kvantfysikere er i ferd med å få sin egen lekeplass i rommet. NASAs Cold Atom Laboratory, planlagt å lansere til den internasjonale romstasjonen den 20. mai

Instrumenter på NASAs Cold Atom Laboratory (kunstnerens konsept ovenfor) vil bruke lasere og andre teknikker til å koble atomer til nesten absolutt null.

Kvantfysikere er i ferd med å få sin egen lekeplass i rommet. NASAs Cold Atom Laboratory, planlagt å lansere til den internasjonale romstasjonen den 20. mai, er satt til å være det kaldeste stedet i det kjente universet. Forskere vil bruke laboratoriet til å teste kvantfenomener som ville være umulige å observere på jorden.

Oppdraget på USD 83 millioner vil bli brukt til å studere kvantemekanikk i makroskopisk skala ved å lage en tilstand av materie kjent som et Bose-Einstein-kondensat (BEC). Disse er skyer av hundretusener av atomer som, når de kjøles til like over absolutt null, oppfører seg som bølger som synkroniseres til en enkelt kvanteobjekt. "Bare å være i stand til å gjøre disse forsøkene i rommet jeg tror er en stor suksess, " sier Kamal Oudrhiri, oppdragssjef hos Jet Propulsion Laboratory (JPL) i Pasadena, California.

På jorda sprer tyngdekraften vanligvis disse kondensatene i løpet av få sekunder. Det nærmeste som BEC har kommet for å være i rom-lignende forhold, blir kort fortalt i en forskningsraket, eller faller fra et falltårn i løpet av 9 sekunder. Men, flytende på romstasjonen, bør de kunne eksistere i minst 10 sekunder. Det er lenge nok til at de blir avkjølt til rekord-lave temperaturer - kanskje så lite som 20 billioner i en grad over absolutt null. Det ville være den kaldeste kjente temperaturen i universet, sier Oudrhiri. Koldere og langvarige kondensater vil "skyve grensene for å studere grunnleggende fysikk", sier Gretchen Campbell, en atomfysiker ved US National Institute of Standards and Technology i Gaithersburg, Maryland. "Det er noe folk har håpet på i nesten 15 år."

Nedstort sett

Fast eiendom på romstasjonen er på en premie, så ingeniører måtte knuse ned atomfysikkutstyr som vanligvis fyller et stort rom inn i en kuleboksstørrelse bryst. Utstyret vil avkjøle rubidium og kaliumatomer ved å sprede laserlys av partiklene i alle retninger for å senke dem til nesten stillestilling. Det vil da bruke magnetfelt for å fange skyen. For å lage kondensatet brukes andre kjøleteknikker til å skyve skyen enda nærmere absolutt null, inkludert å kreme av de mest energiske atomer ved hjelp av en radiobølgekniv og utvide fellen for å la skyen utvide seg.

Ingeniører måtte også designe skjerming for å beskytte de delikate kondensatene fra forstyrrelser fra tett pakket komponenter og fra jordens varierende magnetfelt. Selv om astronautene vil pakke ut og installere utstyret, vil eksperimentene bare løpe mens teamet sover, for å minimere forstyrrelser fra eventuelle bevegelser.

Teknologien er enklere enn det først var ment, etter at en mer kompleks versjon av laboratoriet utviklet en lekkasje som påvirket vakuumkammeret og truet med å forsinke prosjektet. Så fysikere vil ennå ikke kunne oppnå sitt endelige mål å utføre rombasert atominterferometri - en prosess som innebærer å dele kondensatets kvantebølge i to og rekombinere bølgene. De resulterende interferensmønstrene vil tillate forskere å analysere tyngdekraftenes effekter med utsøkt presisjon, samt teste om kondensatene kan brukes som svært følsomme rotasjons- og tyngdekraftfølere. Men det mer avanserte settet bør komme innen utgangen av 2019, sier Robert Thompson, prosjektforsker for oppdraget på JPL.

Bobler, ringer og boblebad

Den nåværende iterasjonen vil fortsatt tillate ny fysikk, sier Thompson. Fem lag er satt til å eksperimentere med laboratoriet; en planlegger å bruke radiobølger og magnetfelt for å fange kondensatet i en bobleform ca. 30 mikrometer over-omtrent halvparten av et menneskelig hårs bredde. Kvantemekanikk antyder at fordi boblen er både tynn og ujevn, bør kondensatet oppføre seg annerledes enn når det er formet som en plate eller sfære på jorden. For eksempel kan det lettere dannes boblebad som kalles vorter, forteller Courtney Lannert, en teoretisk fysiker ved Smith College i Northampton, Massachusetts. På jorden, forsøk på å lage bobler alltid ende opp med bolleformer som væsken faller. "Vi kan ikke få denne formen i det hele tatt med mindre vi kan bli kvitt tyngdekraften, " sier hun.

En gruppe ledet av Eric Cornell fra University of Colorado, Boulder, som delte 2001 Nobels fysikkprisen for å oppdage BECs, vil forsøke å skape eksotiske, løst bundet systemer kjent som Efimov-stater. Oppkalt etter den russiske teoretiske fysikeren Vitaly Efimov, som foreslo deres eksistens i 1970, oppdager disse kvantestatiene hvor atomer vil binde for svake for å slutte seg sammen, men kan danne trekant. Disse ligner på borromeanringer som er koblet på en slik måte at systemet faller fra hverandre hvis en ring er fjernet - og er av interesse for kjernefysikere fordi de har paralleller med sjeldne og dårlig forstått trepartikkelkjerne bestående av nøytroner og protoner. Teamet håper å skape den enkleste Efimov-staten, men også spente, oppblåste versjoner hvor atomer binder seg til tross for å være en bakteriebredde fra hverandre. Gruppen kan også være i stand til å lage foursomes av slike atomer, kjent som tetramere, sier Maren Mossman, fysiker ved Washington State University i Pullman.

Atomfysikere vil finne romstasjonens oppsett ekstraordinært av mer praktiske grunner, sier Mossman. De er vant til å bygge eget utstyr og tilpasse eksperimenter mens de går. Men med Cold Atom Laboratory, deler mange et anlegg for første gang, sier Mossman, og de må kjøre eksperimenter gjennom JPL-forskere som driver anlegget fra bakken. "Folk i partikkelfysikk har gjort dette siden begynnelsen. Men det er så rart for oss i atomfysikken, sier hun.

Prosessen trente "bedre enn de fleste av oss forventet", sier Thompson, som har jobbet for å skape et slikt anlegg siden han ble med i JPL i 1997. Han mener at den nåværende versjonen er et skritt mot enda mer komplekse atomfysikklaboratorier i verdensrommet . NASA jobber med det tyske luftfartssenteret (DLR) for å bygge et anlegg som heter BECCAL (Bose-Einstein kondensat og Kold Atom Laboratory), sier han. Mange eksperimenter på romstasjonen tester allerede effektene av lav tyngdekraften, men for de fleste er ekstrem mikrogravity "overkill", tilføyer Thompson. "Vi er et av forsøkene som virkelig vil markere hva romstasjonen er i stand til å gjøre."

Denne artikkelen er reprodusert med tillatelse og ble først publisert 8. mai 2018.

"Jesu evangeliums ektemann" vist å være ekte i testSecretive Bezos-Funded Group avslører Spacecraft Plan DetaljerGiant Antarctic Ice Shelf Crack truer med å bli et massivt isbergHurtigvoksende hav som er satt for å frigjøre varme inn i atmosfærenNye EPA-bensinregler hjelper presidentens klimagruppeVellykket malariavaksine viser også effektive hos spedbarnForskere lager ny solcelle4 nye innovasjoner for å energisere verden