На борту китайской станции «Тяньгун» достигли рекордно низкой температуры

На борту китайской космической станции «Тяньгун» физики достигли рекордной эквивалентной температуры всего в 9,7 пикокельвинов — это самая низкая эквивалентная температура, когда-либо измеренная. Об этом сообщает журнал Science.

Контекст

Даже кажущийся пустым вакуум космоса не совсем холоден: средняя фоновая температура около 2,7 кельвина. Абсолютный ноль — теоретический предел, достичь которого невозможно. Чем ближе к нему приближаются учёные, тем сложнее отвести остаточную тепловую энергию.

Что такое конденсат Бозе — Эйнштейна

При охлаждении определённых атомов до температур, лишь на доли градуса превышающих абсолютный ноль, образуется бозе-эйнштейновский конденсат — экзотическое состояние материи. Атомы начинают вести себя коллективно, их индивидуальные квантовые состояния сливаются в единое целое, и они функционируют почти как один огромный квантовый объект. Это позволяет изучать квантовые эффекты в масштабе, а также проводить сверхточные измерения.

Почему в космосе

Создание конденсатов на Земле ограничивает гравитация. Поэтому исследователи перенесли эксперимент на орбиту. В 2018 году NASA уже создало конденсат на МКС, охладив атомы рубидия до 100 нанокельвинов; предыдущий рекорд в 38 пикокельвинов был установлен в эксперименте на Бременской башне свободного падения в Германии.

Новый эксперимент

Физики Сяоцзи Чжоу и Сюцзун Чэнь из Пекинского университета, а также Вэйбяо Чэнь из Китайской академии наук использовали длительную микрогравитацию. Они начали с облака атомов рубидия-87, охладили их лазерами в оптической ловушке, а затем применили испарительное охлаждение, при котором наиболее энергичные атомы улетучиваются. На орбите, где всё находится в свободном падении, гравитация не помогает этому процессу, поэтому исследователи создали градиент магнитного поля, имитирующий её воздействие.

Результат

На этом этапе эксперимент содержал конденсат примерно из 20 тысяч атомов рубидия, охлаждённый до 3,1 нанокельвина. Затем конденсат перенесли во вторую, более широкую ловушку и постепенно ослабили её, позволяя облаку расширяться. После полного выключения ловушки атомы удалось обнаружить даже спустя семь секунд. По скорости распространения облака команда рассчитала его эквивалентную температуру: рекордные 9,7 пикокельвинов. Это не совсем обычная температура — она описывает энергию, связанную с расширением облака.

Перспективы

Чем медленнее рассеиваются атомы, тем дольше их можно наблюдать и тем чувствительнее могут стать измерения. Одно из перспективных применений — атомная интерферометрия, использующая волновые свойства атомов для измерения сверхмалых изменений в окружении. Это позволит проверять фундаментальные физические принципы, включая принцип эквивалентности, и изучать экзотические состояния материи, труднодоступные для земных лабораторий.

Справка

Станция «Тяньгун» — китайская орбитальная станция, работающая с 2021 года. Рубидий-87 хорошо подходит для лазерного охлаждения и создания конденсатов.