Materiya ikki tomonlama xususiyatga ega; hamma narsa zarracha va to'lqin sifatida mavjud. Mutlaq nolga yaqin haroratda atomlarning to'lqin tabiati ko'rinadigan diapazonda nurlanish orqali kuzatiladi. NanoKelvin oralig'idagi bunday o'ta sovuq haroratlarda atomlar bitta kattaroq ob'ektga birlashadi va katta paketdagi to'lqin kabi harakat qiladigan Bose Eyzenshteyn kondensati (BEC) deb nomlangan beshinchi holatga o'tadi. Barcha to'lqinlar singari, bu holatdagi atomlar interferentsiya hodisasini ko'rsatadi va atom to'lqinlarining interferentsiya naqshlarini laboratoriyalarda o'rganish mumkin. Kosmosning mikrogravitatsion muhitida o'rnatilgan atom interferometrlari juda aniq sensor sifatida ishlaydi va eng zaif tezlanishlarni o'lchash imkonini beradi. Xalqaro kosmik stansiya (XKS) bortida Yer atrofida aylanadigan mini muzlatgich o'lchamli Sovuq Atom Laboratoriyasi (CAL) kosmosning mikrogravitatsion muhitida o'ta sovuq kvant gazlarini o'rganish uchun tadqiqot muassasasidir. U bir necha yil oldin Atom Interferometer bilan yangilangan. 13 yil 2024 avgustda e'lon qilingan hisobotga ko'ra, tadqiqotchilar yo'l izlovchi tajribalarini muvaffaqiyatli o'tkazdilar. Ular CAL uskunasidagi uch impulsli Mach-Zehnder interferometri yordamida ISS tebranishlarini o'lchashlari mumkin edi. Kosmosda birinchi marta kvant sensori yaqin atrofdagi o'zgarishlarni aniqlash uchun ishlatilgan. Ikkinchi eksperimentda interferentsiya naqshlarini bir martalik ko'rinishda namoyon qilish uchun Ramsey kesish to'lqini interferometriyasidan foydalanish kiradi. Naqshlar 150 ms dan ortiq erkin kengayish vaqtida kuzatilishi mumkin edi. Bu kosmosda erkin tushishda atomlarning to'lqin tabiatining eng uzun namoyishi edi. Tadqiqot guruhi, shuningdek, kosmosda atom interferometriyasidan foydalangan holda birinchi kvant sensori namoyishi sifatida Bragg lazerli fotonning orqaga qaytishini o'lchadi. Bu o'zgarishlar muhim ahamiyatga ega. Kosmosga asoslangan ultrasovuq atom interferometrlari eng aniq sensorlar sifatida juda zaif tezlanishlarni o'lchashi mumkin, shuning uchun tadqiqotchilarga savollarni (masalan, qorong'u materiya va qorong'u energiya, materiyaga qarshi assimetriya, tortishish kuchini boshqa sohalar bilan birlashtirish) o'rganish imkoniyatini beradi. Umumiy nisbiylik va zarralar fizikasining standart modeli koinot haqidagi tushunchamizdagi bo'shliqni tushuntirib bera olmaydi.
To'lqinlar interferentsiya hodisasini ko'rsatadi, ya'ni ikki yoki undan ortiq kogerent to'lqinlar birlashishi natijasida hosil bo'ladigan to'lqinlar birlashuvchi to'lqinlarning fazalariga qarab yuqori yoki pastroq amplitudaga ega bo'lishi mumkin. Yorug'lik holatida biz qorong'u va yorug'lik qirralari ko'rinishidagi natijaviy to'lqinlarni ko'ramiz.
Interferometriya - interferensiya fenomeni yordamida xarakteristikani o'lchash usuli. Bu tushayotgan to'lqinni turli yo'llar bo'ylab o'tadigan ikkita nurga bo'lishni o'z ichiga oladi, so'ngra natijada interferentsiya naqshini yoki chekkalarini (yorug'lik holatida) hosil qilish uchun birlashadi. Natijada paydo bo'lgan interferentsiya sxemasi nurlarning harakatlanish yo'llari sharoitidagi o'zgarishlarga sezgir bo'ladi, masalan, harakat yo'lining uzunligi yoki to'lqin uzunligiga nisbatan har qanday sohadagi har qanday o'zgarish interferentsiya naqshiga ta'sir qiladi va o'lchovlar uchun ishlatilishi mumkin.
de Broyl to'lqini yoki materiya to'lqini
Materiya ikki tomonlama xususiyatga ega; u ham zarracha, ham to'lqin sifatida mavjud. Har bir harakatlanuvchi zarracha yoki ob'ekt de Broyl tenglamasi bilan berilgan to'lqin xarakteristikasiga ega
l = h/mv = h/p = h/√3mKT
Bu erda l - to'lqin uzunligi, h - Plank doimiysi, m - massa, v - zarrachaning tezligi, p - impuls, K - Boltsman doimiysi, T - Kelvindagi harorat.
Termal de Broyl to'lqin uzunligi Kelvindagi haroratning kvadrat ildiziga teskari proportsionaldir, ya'ni l pastroq haroratda kattaroq bo'ladi.
Ultra sovuq atom to'lqinlarini o'rganish
Oddiy atom uchun xona haroratidagi de Broyl to'lqin uzunligi angstrom tartibida (10)-10 m) ya'ni. 0.1 nanometr (1 nm=10-9 m). Berilgan to'lqin uzunligidagi nurlanish bir xil o'lchamdagi diapazondagi tafsilotlarni hal qilishi mumkin. Yorug'lik to'lqin uzunligidan kichikroq tafsilotlarni hal qila olmaydi, shuning uchun xona haroratidagi odatdagi atomni to'lqin uzunligi taxminan 400 nm dan 700 nm gacha bo'lgan ko'rinadigan yorug'lik yordamida tasvirlab bo'lmaydi. Rentgen nurlari angstrom diapazonidagi to'lqin uzunligi tufayli qila oladi, ammo uning yuqori energiyasi u kuzatishi kerak bo'lgan atomlarni yo'q qiladi. Shuning uchun eritma atomning haroratini (10 dan pastga) kamaytirishdan iborat-6 kelvin) shunday qilib, atomlarning de Broyl to'lqin uzunliklari ortadi va ko'rinadigan yorug'likning to'lqin uzunliklari bilan taqqoslanadigan bo'ladi. O'ta sovuq haroratlarda atomlarning to'lqin tabiati o'lchanadi va interferometriya uchun ahamiyatli bo'ladi.
Nanokelvin oralig'ida atomlarning harorati yanada pasayganligi sababli (10-9 kelvin) taxminan 400 nK gacha, atom bozonlari Bose-Eynshteyn kondensati (miloddan avvalgi) deb ataladigan beshinchi holatga o'tadi. Mutlaq nolga yaqin bo'lgan bunday o'ta past haroratlarda zarrachalarning termal harakati juda ahamiyatsiz bo'lib qolganda, atomlar katta paketdagi to'lqin kabi harakat qiladigan yagona kattaroq mavjudotga birlashadi. Atomlarning bunday holati tadqiqotchilarga kvant tizimlarini makroskopik miqyosda o'rganish imkonini beradi. Miloddan avvalgi birinchi atom 1995 yilda rubidiy atomlari gazida yaratilgan. O'shandan beri bu sohada texnologiyaning ko'plab yaxshilanishi kuzatildi. The molekulyar BEC NaCs molekulalari yaqinda 5 nanoKelvin (nK) bo'lgan juda sovuq haroratda yaratilgan.
Kosmosdagi mikrogravitatsiya sharoitlari kvant mexanik tadqiqotlar uchun yaxshiroqdir
Erga asoslangan laboratoriyalarda tortishish kuchi samarali sovutish uchun atomlarni joyida ushlab turish uchun magnit tuzoqdan foydalanishni talab qiladi. Gravitatsiya shuningdek, er usti laboratoriyalarida BEClar bilan o'zaro ta'sir qilish vaqtini cheklaydi. Kosmosga asoslangan laboratoriyalarning mikrogravitatsion muhitida BEClarning shakllanishi bu cheklovlarni bartaraf etadi. Mikrogravitatsiya muhiti o'zaro ta'sir vaqtini oshirishi va qo'llaniladigan maydondagi buzilishlarni kamaytirishi mumkin, shu bilan kvant mexanik tadqiqotlarni yaxshiroq qo'llab-quvvatlaydi. BCElar endi muntazam ravishda kosmosdagi mikrogravitatsiya sharoitida shakllanadi.
Xalqaro kosmik stansiyadagi (XSS) sovuq atom laboratoriyasi (CAL)
Sovuq Atom Laboratoriyasi (CAL) koinotning mikrogravitatsion muhitida oʻta sovuq kvant gazlarini oʻrganish uchun Xalqaro kosmik stansiyada (XKS) asoslangan koʻp foydalanuvchili tadqiqot muassasasidir. CAL reaktiv qo'zg'alish laboratoriyasidagi operatsiya markazidan masofadan turib boshqariladi.
Ushbu kosmik qurilmada 10 soniyadan ortiq kuzatuv vaqtlari va 100 pikoKelvin (1 pK = 10) dan past bo'lgan o'ta sovuq haroratlarga ega bo'lish mumkin.-12 Kelvin) kvant hodisalarini o'rganish uchun.
Sovuq atom laboratoriyasi 21-yilning 2018-mayida ishga tushirilgan va 2018-yilning may oyi oxirida XKSga o‘rnatilgan. 2018-yilning iyul oyida bu kosmik qurilmada Bose-Eynshteyn kondensati (BEC) yaratilgan. Bu birinchi marta; Yer orbitasida materiyaning beshinchi holati yaratildi. Keyinchalik, ultrasovuq atom interferometrlari o'rnatilgandan so'ng, ob'ekt modernizatsiya qilindi.
So'nggi yillarda CAL ko'plab marralarga erishdi. Rubidium Bose-Einshtein kondensatlari (BECs) 2020 yilda koinotda ishlab chiqarilgan. Shuningdek, mikrogravitatsiya muhiti sovuq atom tajribasi uchun foydali ekanligi isbotlangan.
O'tgan yili, 2023 yilda tadqiqotchilar ikki xil turdagi BECni ishlab chiqarishdi 87Rb va 41K va Sovuq Atom laboratoriyasida kosmosda birinchi marta ikkita atom turi bilan bir vaqtda atom interferometriyasini ko'rsatdi. Ushbu yutuqlar kosmosda erkin tushishning (UFF) universalligini kvant sinovlari uchun muhim edi.
Kosmosga asoslangan kvant texnologiyalaridagi so'nggi yutuqlar
13 yil 2024 avgustda chop etilgan hisobotga ko'ra), tadqiqotchilar ishlagan 87CAL atom interferometridagi Rb atomlari va uchta yo'lni aniqlash tajribasi muvaffaqiyatli o'tkazildi. Ular CAL uskunasidagi uch impulsli Mach-Zehnder interferometri yordamida ISS tebranishlarini o'lchashlari mumkin edi. Kosmosda birinchi marta kvant sensori yaqin atrofdagi o'zgarishlarni aniqlash uchun ishlatilgan. Ikkinchi eksperimentda interferentsiya naqshlarini bir martalik ko'rinishda namoyon qilish uchun Ramsey kesish to'lqinli interferometriyasidan foydalanish kiradi. Naqshlar 150 ms dan ortiq erkin kengayish vaqtida kuzatilishi mumkin edi. Bu kosmosda erkin tushishda atomlarning to'lqin tabiatining eng uzun namoyishi edi. Tadqiqot guruhi, shuningdek, kosmosda atom interferometriyasidan foydalangan holda birinchi kvant sensori namoyishi sifatida Bragg lazerli fotonning orqaga qaytishini o'lchadi.
Kosmosga joylashtirilgan ultrasovuq atom interferometrlarining ahamiyati
Atom interferometrlari atomlarning kvant tabiatidan foydalanadi va tezlanish yoki maydonlardagi o'zgarishlarga juda sezgir, shuning uchun yuqori aniqlikdagi asboblar sifatida qo'llaniladi. Yerga asoslangan atom interferometrlari tortishish kuchini o'rganish va ilg'or navigatsiya texnologiyalarida qo'llaniladi.
Kosmosga asoslangan atom interferometrlari doimiy mikrogravitatsiya muhitining afzalliklariga ega, bu esa maydonlarning kamroq ta'siri bilan erkin tushish sharoitlarini ta'minlaydi. Bu, shuningdek, Bose-Eynshteyn kondensatlariga (BEC) pikoKelvin oralig'ida sovuqroq haroratga erishishga va uzoqroq vaqt davomida mavjud bo'lishiga yordam beradi. Aniq ta'sir kuzatuv vaqtini uzaytiradi, shuning uchun o'rganish uchun yaxshi imkoniyatdir. Bu kosmosga joylashtirilgan ultrasovuq atom interferometrlarini yuqori aniqlikdagi o'lchash qobiliyatiga ega va ularni super sensorlarga aylantiradi.
Kosmosda o'rnatilgan ultrasovuq atom interferometrlari zichlikdagi o'zgarishlarni ko'rsatadigan tortishishdagi juda nozik o'zgarishlarni aniqlay oladi. Bu sayyora jismlarining tarkibini va har qanday massa o'zgarishlarini o'rganishga yordam beradi.
Og'irlikni yuqori aniqlikdagi o'lchash qorong'u materiya va qorong'u energiyani yaxshiroq tushunishga va umumiy nisbiylik va kuzatilishi mumkin bo'lgan koinotni tavsiflovchi standart modeldan tashqari nozik kuchlarni o'rganishga yordam beradi.
Umumiy nisbiylik va standart model kuzatilishi mumkin bo'lgan koinotni tavsiflovchi ikkita nazariyadir. Zarrachalar fizikasining standart modeli asosan kvant maydon nazariyasidir. U koinotning atigi 5 foizini tasvirlaydi, qolgan 95 foizi biz tushunmaydigan qorong'u shakllarda (qorong'u materiya va qorong'u energiya). Standart model qorong'u materiya va qorong'u energiyani tushuntira olmaydi. U materiya-antimateriya assimetriyasini ham tushuntira olmaydi. Xuddi shunday, tortishish kuchini ham boshqa sohalar bilan birlashtirish mumkin emas edi. Koinot haqiqati hozirgi nazariyalar va modellar bilan to'liq tushuntirilmagan. Gigant tezlatgichlar va rasadxonalar tabiatning bu sirlarining ko‘pini yoritib bera olmaydi. Kosmosga asoslangan ultrasovuq atom interferometrlari eng aniq sensorlar sifatida tadqiqotchilarga koinot haqidagi tushunchamizdagi bo'shliqni to'ldirish uchun ushbu savollarni o'rganish imkoniyatini beradi.
***
Manbalar:
- Meystre, Per 1997. Atomlar to'lqinga aylanganda. Bu yerda mavjud https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Sovuq atom laboratoriyasi - Koinot missiyalari. Bu yerda mavjud https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC va boshqalar. Yer orbitasidagi tadqiqot laboratoriyasida Bose-Eynshteyn kondensatlarini kuzatish. Tabiat 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP va boshqalar. Kosmosdagi kvant gaz aralashmalari va ikki xil atom interferometriyasi. Tabiat 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Uilyams, JR, va boshq 2024. Pathfinder Xalqaro kosmik stansiya bortida Sovuq Atom laboratoriyasida atom interferometriyasi bilan tajribalar. Nat Commun 15, 6414. Nashr qilingan: 13 avgust 2024 yil. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Oldindan chop etish versiyasi https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- NASA kosmosda birinchi marta "Ultra-Cool" kvant sensorini namoyish etdi. 13 yil 2024 avgustda chop etilgan https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
