实验室中的量子世界

量子物理学家即将在太空展开量子实验。美国国家航空航天局的冷原子实验室计划于5月20日发射到国际空间站,将成为已知宇宙中最冷的地方。研究人员将使用实验室来探测在地球上无法观察到的量子现象。

宇宙的第一时刻模仿超冷原子

这项价值8300万美元的任务将用于研究宏观尺度上的量子力学,将物质状态称为玻色 – 爱因斯坦凝聚体(BEC)。这些是数十万个原子的云,当冷却到绝对零度以上时,它们表现为同步成单个量子物体的波。”能够在太空进行这些实验我认为是一项巨大的成就,”加州帕萨迪纳喷气推进实验室(JPL)的任务经理Kamal Oudrhiri说。

实验室中的量子世界

在地球上,重力通常会在几秒内分散这些冷凝物。BEC最接近于类似太空的条件是在研究火箭短暂停留期间,或从坠落塔落下超过9秒。但是,漂浮在空间站上,它们应该能够存在至少10秒钟。这足以让他们被冷却到创纪录的低温 – 可能只有绝对零度以上的20万亿分之一。Oudrhiri说,这将是宇宙中最冷的已知温度。马里兰州盖瑟斯堡美国国家标准与技术研究院的原子物理学家格雷琴坎贝尔说,更冷和更持久的冷凝物将”推动学习基础物理的前沿”。”这是近15年来人们所希望的。”

空间站上的房地产价格很高,所以工程师不得不关闭原子物理设备,这些设备通常将一个大房间装入一个冷却箱大小的箱子。该设备通过将激光从各个方向上的粒子散射出来,来冷却铷和钾原子,从而使它们几乎停滞。然后它将使用磁场来捕捉云。为了创造冷凝物,使用其他冷却技术将云推得更接近绝对零度 – 包括使用无线电波’刀’来剥离最有活力的原子,并扩大陷阱以使云扩张。

工程师还必须设计屏蔽层,以保护精密冷凝物免受密集组件和地球变化磁场的干扰。虽然宇航员将解包并安装设备,但实验只有在团队睡觉时才能运行,以尽量减少任何移动造成的干扰。冷原子实验室旨在研究国际空间站微重力环境中的超冷量子流体。

该技术比最初设计的要简单,因为实验室更复杂的版本发展出泄漏影响真空室并威胁要延迟项目。所以物理学家还不能实现他们执行基于空间的原子干涉测量的最终目标 – 这个过程涉及将凝聚体的量子波分成两部分并重新组合波。由此产生的干涉图案可以让科学家们以精确的精度分析重力的影响,以及测试冷凝物是否可以用作非常敏感的旋转和重力传感器。但是JPL的项目科学家罗伯特汤普森说,更高级的套件应该会在2019年底到货。

汤普森说,目前的迭代仍将允许新的物理学。五支球队将试验实验室; 人们计划使用无线电波和磁场将凝结物截留在大约30微米的气泡形状中 – 约为人发的一半宽度。量子力学表明,因为气泡既薄又无边缘,凝聚体的行为应与地球上形成圆盘或球体时的行为不同。例如,马萨诸塞州北安普敦的史密斯学院的理论物理学家科特尼兰内特说,它可能更容易形成涡流,称为旋涡。在地球上,当流体下落时,试图产生气泡的过程总是以碗形状结束。她说:”除非我们能摆脱重力,否则我们根本无法获得这种形状。”

由科罗拉多大学博尔德分校的埃里克康奈尔领导的一个小组,分享了2001年诺贝尔物理学奖为了共同发现BEC,将尝试创建称为Efimov状态的异国情调的松散结合系统。以1970年提出存在的俄罗斯理论物理学家维塔利埃菲莫夫的名字命名,这些量子态出现在原子结合太弱而不能成对结合的地方,但可以形成三人组。这些与Borromean环相似 – 环以这样的方式连接,即如果任何一个环被移除,系统就会分裂 – 并且是核物理学家感兴趣的,因为它们与由中子构成的罕见且知之甚少的三粒子核类似,质子。该团队希望创造最简单的Efimov状态,但也激发,膨胀的版本,其中的原子彼此尽管是细菌宽度分开绑定。Maren Mossman说,这个团体也许能够制造出四个这样的原子,称为四聚体,

莫斯曼说,原子物理学家会发现空间站的设置非常实际,因为这是更实际的原因。他们习惯于建造自己的设备,并随时调整实验。但是,对于冷原子实验室来说,许多人第一次共享一个设施,莫斯曼说,他们必须通过JPL研究人员进行实验,这些研究人员是从地面操作设备的。”粒子物理学家们从一开始就一直在这样做。但是对原子物理学来说,这太奇怪了,”她说。

汤普森说,这个过程”比我们大多数人所期望的要好”,他自1997年加入JPL以来一直致力于创建这样的设施。他认为目前的版本是向更复杂的太空原子物理实验室迈出的一步。 。他说,NASA正在与德国航空航天中心(DLR)合作建造一个名为BECCAL(Bose-Einstein Condensate和Cold Atom Laboratory)的设施。汤普森补充说,空间站上的许多实验已经测试了低重力的影响,但对大多数人来说,极端的微重力是”过度杀伤力”。”我们是真正突出空间站的能力的实验之一。”

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