Materie har dobbel natur; alt eksisterer både som partikkel og bølge. Ved en temperatur nær absolutt null, blir bølgenaturen til atomer observerbar ved stråling i synlig område. Ved slike ultrakalde temperaturer i nanoKelvin-området, smelter atomene sammen til en enkelt større enhet og går over til en femte tilstand kalt Bose Eisenstein Condensate (BEC) som oppfører seg som en bølge i en stor pakke. Som alle bølger viser atomer i denne tilstanden interferensfenomenet, og interferensmønstrene til atombølger kan studeres i laboratoriene. Atominterferometre utplassert i mikrogravitasjonsmiljøer i rommet fungerer som en ekstremt presis sensor og gir mulighet til å måle de fleste svake akselerasjoner. Minikjøleskapsstørrelsen Cold Atom Laboratory (CAL) som går i bane rundt jorden ombord på International Space Station (ISS) er et forskningsanlegg for studier av ultrakalde kvantegasser i mikrogravitasjonsmiljøet i rommet. Den ble oppgradert med Atom Interferometer for noen år siden. I henhold til rapporten publisert 13. august 2024, har forskere gjennomført stifinnereksperimenter. De kunne måle vibrasjoner av ISS ved å bruke et tre-puls Mach-Zehnder interferometer om bord på CAL-anlegget. Dette var første gang en kvantesensor ble brukt i verdensrommet for å oppdage endringer i umiddelbare omgivelser. Det andre eksperimentet involverte bruk av Ramsey-skjærbølge-interferometri for å manifestere interferensmønstre i en enkelt kjøring. Mønstrene var observerbare i over 150 ms fri ekspansjonstid. Dette var den lengste demonstrasjonen av bølgenaturen til atomer i fritt fall i rommet. Forskerteamet målte også Bragg laserfotonrekyl som en demonstrasjon av den første kvantesensoren ved bruk av atominterferometri i verdensrommet. Disse utviklingene er betydelige. Som de mest presise sensorene kan de rombaserte ultrakalde atom-interferometrene måle ekstremt svake akselerasjoner, og tilbyr derfor muligheter for forskere til å utforske spørsmålene (som mørk materie og mørk energi, materie-anti-materie asymmetri, forening av tyngdekraften med andre felt) at generell relativitet og standardmodellen for partikkelfysikk ikke kan forklare og fylle gapet i vår forståelse av universet.
Bølger viser fenomenet interferens, dvs. to eller flere koherente bølger kombineres for å gi opphav til en resulterende bølge som kan ha en høyere eller lavere amplitude avhengig av fasene til de kombinerende bølgene. Når det gjelder lys, ser vi resulterende bølger i form av mørke og lyse frynser.
Interferometri er en metode for å måle egenskaper ved å bruke fenomenet interferens. Det innebærer å dele den innfallende bølgen i to stråler som beveger seg forskjellige veier og deretter kombineres for å danne resulterende interferensmønster eller frynser (i tilfelle av lys). Det resulterende interferensmønsteret er følsomt for endringer i forholdene til strålenes bevegelsesbaner, for eksempel enhver endring i lengden av bevegelsesbanen eller i et hvilket som helst felt i forhold til bølgelengden påvirker interferensmønsteret og kan brukes til målinger.
de Broglie-bølge eller materiebølge
Materie har dobbel natur; den eksisterer både som partikkel så vel som bølge. Hver bevegelig partikkel eller gjenstand har en bølgekarakteristikk gitt av de Broglie Equation
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
hvor λ er bølgelengde, h er Plancks konstant, m er masse, v er hastigheten til partikkelen, p er momentum, K er Boltzmann konstant, og T er temperatur i Kelvin.
Den termiske de Broglie-bølgelengden er omvendt proporsjonal med kvadratroten av temperaturen i kelvin, noe som betyr at λ vil være større ved lavere temperatur.
Studie av ultrakalde atombølger
For et typisk atom er de Broglie-bølgelengden ved romtemperatur i rekkefølgen ångstrøm (10-10 m) dvs. 0.1 nanometer (1 nm=10-9 m). En stråling med en gitt bølgelengde kan løse detaljer i samme størrelsesområde. Lys kan ikke løse opp detaljer som er mindre enn bølgelengden, og derfor kan et typisk atom ved romtemperatur ikke avbildes ved bruk av synlig lys som har en bølgelengde i området rundt 400 nm til 700 nm. Røntgenstråler kan gjøre det på grunn av bølgelengden i angstromområdet, men den høye energien ødelegger selve atomene den skal observere. Derfor ligger løsningen i å redusere temperaturen på atomet (til under 10-6 kelvin) slik at de Broglie-bølgelengdene til atomene øker og blir sammenlignbare med bølgelengdene til synlig lys. Ved ultrakalde temperaturer blir bølgenaturen til atomene målbar og relevant for interferometri.
Ettersom temperaturen på atomene reduseres ytterligere i nanokelvinområdet (10-9 kelvin) varierer til omtrent 400 nK, atombosonene går over til den femte tilstandsstoffet kalt Bose-Einstein-kondensat (BCE). Ved slike ultralave temperaturer nær absolutt null når de termiske bevegelsene til partikler blir ekstremt ubetydelige, smelter atomene sammen til en enkelt større enhet som oppfører seg som en bølge i en stor pakke. Denne tilstanden til atomer gir forskere mulighet til å studere kvantesystemer i makroskopisk skala. Den første atomaren BCE ble opprettet i 1995 i en gass av rubidiumatomer. Siden den gang har dette området sett mange forbedringer innen teknologi. De molekylær BEC av NaCs-molekyler ble nylig opprettet ved en ultrakald temperatur på 5 nanoKelvin (nK).
Mikrogravitasjonsforhold i rommet er bedre for kvantemekanisk forskning
Tyngdekraften i de jordbaserte laboratoriene krever bruk av magnetisk felle for å holde atomene på plass for en effektiv avkjøling. Tyngdekraften begrenser også interaksjonstiden med BEC-ene i de terrestriske laboratoriene. Dannelsen av BEC-er i mikrogravitasjonsmiljøet i rombaserte laboratorier overvinner disse begrensningene. Mikrogravitasjonsmiljø kan øke interaksjonstiden og redusere forstyrrelser fra det anvendte feltet, og dermed bedre støtte kvantemekanisk forskning. BCE-er dannes nå rutinemessig under mikrogravitasjonsforhold i verdensrommet.
Cold Atom Laboratory (CAL) ved den internasjonale romstasjonen (ISS)
Cold Atom Laboratory (CAL) er et flerbrukerforskningsanlegg basert på International Space Station (ISS) for studier av ultrakalde kvantegasser i mikrogravitasjonsmiljøet i rommet. CAL fjernstyres fra operasjonssentralen ved Jet Propulsion Laboratory.
På dette rombaserte anlegget er det mulig å ha observasjonstider over 10 sekunder og de ultrakalde temperaturene under 100 picoKelvin (1 pK= 10-12 Kelvin) for studiet av kvantefenomener.
Cold Atom Lab ble lansert 21. mai 2018 og ble installert på ISS i slutten av mai 2018. Et Bose-Einstein Condensate (BEC) ble opprettet i dette rombaserte anlegget i juli 2018. Dette var første gang; en femte tilstand av materie ble skapt i jordens bane. Senere ble anlegget oppgradert etter utplassering av ultrakalde atominterferometre.
CAL har oppnådd mange milepæler de siste årene. Rubidium Bose–Einstein-kondensater (BEC) ble produsert i verdensrommet i 2020. Det ble også demonstrert at mikrogravitasjonsmiljø er fordelaktig for eksperimenter med kalde atomer.
I fjor, i 2023, produserte forskere to-arter BEC dannet av 87Rb og 41K og demonstrerte samtidig atominterferometri med to atomarter for første gang i rommet i Cold Atom Laboratory-anlegget. Disse prestasjonene var viktige for kvantetester av universalitet av fritt fall (UFF) i verdensrommet.
Nylig fremgang innen rombasert kvanteteknologi
I henhold til rapporten publisert 13. august 2024), ansatte forskere 87Rb-atomer i CAL-atominterferometeret og gjennomførte tre banesøkende eksperimenter. De kunne måle vibrasjoner av ISS ved hjelp av et tre-puls Mach-Zehnder interferometer ombord på CAL-anlegget. Dette var første gang en kvantesensor ble brukt i verdensrommet for å oppdage endringer i umiddelbare omgivelser. Det andre eksperimentet involverte bruk av Ramsey-skjærbølge-interferometri for å manifestere interferensmønstre i en enkelt kjøring. Mønstrene var observerbare i over 150 ms fri ekspansjonstid. Dette var den lengste demonstrasjonen av bølgenaturen til atomer i fritt fall i rommet. Forskerteamet målte også Bragg laserfotonrekyl som en demonstrasjon av den første kvantesensoren ved bruk av atominterferometri i verdensrommet.
Betydningen av ultrakalde atominterferometre utplassert i verdensrommet
Atominterferometre utnytter atomenes kvantenatur og er ekstremt følsomme for endringer i akselerasjon eller felt, og har derfor applikasjoner som høypresisjonsverktøy. Jordbaserte atominterferometre brukes til å studere gravitasjon og i avansert navigasjonsteknologi.
Rombaserte atominterferometre har fordeler med vedvarende mikrogravitasjonsmiljø som tilbyr fritt fallforhold med mye mindre påvirkning av felt. Det hjelper også Bose-Einstein-kondensater (BEC) med å nå kaldere temperaturer i picoKelvin-området og eksistere over lengre tid. Nettoeffekten er forlenget observasjonstid og dermed bedre mulighet til å studere. Dette gir ultrakalde atominterferometre utplassert i verdensrommet med høypresisjonsmålingsevner og gjør dem til supersensorer.
Ultrakalde atominterferometre utplassert i rommet kan oppdage svært subtile variasjoner i tyngdekraften, noe som indikerer variasjon i tettheter. Dette kan hjelpe til med å studere sammensetningen av planetariske legemer og eventuelle masseendringer.
Høypresisjonsmåling av tyngdekraften kan også bidra til å bedre forstå mørk materie og mørk energi og i utforskning av subtile krefter utover generell relativitet og standardmodellen som beskriver observerbart univers.
Generell relativitet og standardmodellen er de to teoriene som beskriver observerbart univers. Standardmodellen for partikkelfysikk er i utgangspunktet kvantefeltteori. Den beskriver bare 5 % av universet, resten 95 % er i mørke former (mørk materie og mørk energi) som vi ikke forstår. Standardmodellen kan ikke forklare mørk materie og mørk energi. Det kan ikke forklare materie-antimaterie-asymmetri også. På samme måte kunne ikke tyngdekraften forenes med de andre feltene ennå. Universets virkelighet er ikke fullt ut forklart av de nåværende teoriene og modellene. Gigantiske akseleratorer og observatorier er ikke i stand til å kaste lys over mye av disse naturmysteriene. Som de mest presise sensorene gir de rombaserte ultrakalde atominterferometrene muligheter for forskere til å utforske disse spørsmålene for å fylle gapet i vår forståelse av universet.
***
Referanser:
- Meystre, Pierre 1997. Når atomer blir til bølger. Tilgjengelig kl https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Cold Atom Laboratory – Universe Missions. Tilgjengelig kl https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, et al. Observasjon av Bose–Einstein-kondensater i et forskningslaboratorium i bane rundt jorden. Nature 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Kvantegassblandinger og to-arts atominterferometri i verdensrommet. Nature 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Williams, JR, et al 2024. Pathfinder eksperimenterer med atominterferometri i Cold Atom Lab ombord på den internasjonale romstasjonen. Nat Commun 15, 6414. Publisert: 13. august 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Fortrykt versjon https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- NASA demonstrerer 'Ultra-Cool' kvantesensor for første gang i verdensrommet. Publisert 13. august 2024.Tilgjengelig kl https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
