Na kineskoj svemirskoj postaji Tiangong znanstvenici su oblak od oko 20.000 rubidijevih atoma ohladili do rekordno niske ekvivalentne temperature od 9,7 pikokelvina. Atomi su se nakon oslobađanja iz laserske zamke širili toliko sporo da su ih istraživači mogli pratiti punih sedam sekundi.
Riječ je o svega 0,0000000000097 kelvina iznad apsolutne nule, koja odgovara temperaturi od −273,15 Celzijevih stupnjeva. U radu objavljenom 5. studenoga u časopisu Science temperatura je određena prema brzini širenja oblaka nakon oslobađanja iz zamke. Što je to gibanje sporije, niža je njegova ekvivalentna temperatura.
Laseri su zadržavali atome, a zatim ih puštali da se šire
Pri tako niskim temperaturama rubidijevi atomi mogu tvoriti Bose-Einsteinov kondenzat. Velik broj atoma tada zauzima isto kvantno stanje i ponaša se kao jedinstven kvantni sustav. Fizičari tako mogu mjeriti valna svojstva atoma koja je pri višim temperaturama teško razabrati.
Istraživači su atome zadržavali u optičkim zamkama, koristeći se laserskim svjetlom. Postupnim slabljenjem zamke najenergičniji atomi mogu pobjeći, dok preostali oblak postaje hladniji. Nakon tog isparivačkog hlađenja dodatno su smanjili energiju gibanja atoma kontrolirajući širenje oblaka.
Na Zemlji gravitacija otežava takav postupak. Ako se zamka previše oslabi, atomi padaju, pa ih nije moguće jednako dugo zadržati i promatrati. Na Tiangongu su i aparatura i atomi u gotovo istom slobodnom padu oko Zemlje. U tim uvjetima mikrogravitacije dovoljna je mnogo slabija zamka, a oblak nakon oslobađanja dulje ostaje dostupan mjerenju.
Prethodni rekord za takve sustave iznosio je 38 pikokelvina, postignut u zemaljskom pokusu sa slobodnim padom. Na Međunarodnoj svemirskoj postaji ranije su ostvarene ekvivalentne temperature od 52 pikokelvina. Tiangong je granicu spustio ispod deset pikokelvina i omogućio sedam sekundi slobodnog širenja oblaka.
Sedam sekundi za preciznija mjerenja
Dulje promatranje posebno je korisno za atomske interferometre. Ti uređaji iskorištavaju valna svojstva atoma: val se razdvoji, njegovi dijelovi prolaze različitim putanjama, a nakon ponovnog spajanja nastaje uzorak iz kojeg se mogu očitati vrlo male razlike u njihovu gibanju. Takvi su postupci već omogućili mjerenje kvantne faze slobodnog pada.
Što se oblak sporije širi, to je lakše zadržati dovoljno atoma u području u kojem se provodi mjerenje. Uz dulje vrijeme promatranja to bi moglo poboljšati osjetljivost budućih instrumenata za mjerenje gravitacije i ubrzanja. Hladni atomi u orbiti već se koriste i za provjere Einsteinova načela ekvivalencije, prema kojem tijela različitog sastava u istom gravitacijskom polju padaju jednakim ubrzanjem.
Prema Kineskoj akademiji znanosti, eksperimentalni je sklop na postaju stigao s modulom Mengtian 2022. godine. Za let je velik zemaljski sustav trebalo svesti na uređaj koji zauzima oko 0,7 kubičnih metara i ima masu od približno pola tone.
Istraživači na toj platformi planiraju proučavati kvantne plinove i razvijati osjetljivije mjerne uređaje. Oni bi se mogli koristiti za praćenje sitnih promjena Zemljina gravitacijskog polja te za precizniju inercijsku navigaciju, koja položaj određuje mjerenjem ubrzanja i zakretanja.
