На китайской космической станции получили самое холодное искусственно созданное вещество
Китайские физики установили новый температурный рекорд в эксперименте на орбитальной станции «Тяньгун», получив облако атомов рубидия с эффективной температурой всего 9,7 пикокельвина. Это примерно на 14 порядков ниже комнатной температуры и лишь на 0,0000000000097 кельвина выше абсолютного нуля.
Эксперимент проводился в специальной установке для исследования сверххолодных атомов, размещённой в лабораторном модуле «Мэнтянь». Учёные сформировали конденсат Бозе — Эйнштейна, содержащий около 20 тысяч атомов рубидия, и добились рекордно медленного расширения атомного облака. Его свободное расширение удалось наблюдать в течение семи секунд, тогда как предыдущий рекорд эквивалентной температуры составлял 38 пикокельвинов при времени расширения две секунды.
Главным техническим достижением стало использование полностью оптической системы удержания и охлаждения атомов. Исследователи применили лазерное охлаждение и испарительное охлаждение в оптических ловушках, а затем дополнительно уменьшили энергию движения частиц за счёт управляемого расширения облака. В условиях микрогравитации атомы не оседают под действием земного притяжения, поэтому можно использовать более слабые удерживающие поля и наблюдать квантовую систему значительно дольше.
Полученное значение 9,7 пикокельвина характеризует не температуру всей экспериментальной установки, а чрезвычайно малую кинетическую энергию расширяющегося атомного облака. При таких условиях движение частиц становится настолько медленным, что их квантовые свойства можно исследовать с существенно меньшими помехами. Конденсат Бозе — Эйнштейна представляет собой особое состояние вещества, в котором множество атомов занимает одно квантовое состояние и демонстрирует коллективное поведение.
Создание орбитальной установки потребовало решения сложных инженерных задач. Как сообщает Китайская академия наук, исследователи уменьшили объём наземной экспериментальной системы с 20 до 0,7 кубического метра, а массу — с 10 тонн до 500 килограммов. Прибор, доставленный на станцию в октябре 2022 года, включает высоковакуумную систему, лазеры и средства точного управления оптическими полями, сохраняющие работоспособность после запуска ракеты и в условиях длительного космического полёта.
Новый результат открывает возможности для более продолжительных экспериментов с квантовыми газами и высокоточных измерений в космосе. Исследователи рассчитывают использовать подобные системы для изучения квантовых фазовых переходов, взаимодействий между частицами и проверки фундаментальных физических принципов. Среди потенциальных технических применений — атомные интерферометры, сверхчувствительные датчики ускорения и гравитации, а также новые средства инерциальной навигации, однако сами эти устройства в рамках опубликованного эксперимента не испытывались.
Результаты , выполненного специалистами Пекинского университета и Китайской академии наук, опубликованы в журнале Science.