ISSのボーズ凝縮は記録的な自由膨張時間を示しました

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Anonim
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重力の存在下での地上条件でのボーズ・アインシュタイン凝縮の自由膨張

NASAの冷原子研究所の科学者たちは、一定の無重力(微小重力)の条件下で、ISS上のルビジウム87原子のボーズアインシュタイン凝縮を初めて測定しました。 Natureで報告されているように、微小重力により、コンデンセートの記録的な特性を実現することができました。トラップをオフにした後の自由膨張時間が1秒を超え、有効温度がナノケルビンを下回りました。

ボーズ・アインシュタイン凝縮は、原子の顕著な部分が最低エネルギーの量子状態または基底状態にあるような物質の集合状態です。さらに、これらの原子は、共通の波動関数を持つ単一の量子オブジェクトのように動作します。ボーズ-アインシュタイン凝縮は、臨界温度以下に冷却されると、ボソン粒子の希薄ガス中に発生します。この温度は基本的な物理定数(プランク定数、ボルツマン定数)に依存し、単一のボソンmの質量にも反比例し、n2 / 3に正比例します。ここで、nはガス中のボソンの濃度です。

20世紀前半に包括的な研究が始まったボーズ凝縮に関連する他の巨視的量子現象(超流動性と超伝導性)とは異なり、個々の原子の雲から凝縮物を制御可能に取得することは困難な作業であることが判明しました。原子は、超伝導の原因となるクーパー対よりもはるかに重いため、原子ガスの臨界凝縮温度は、金属が超伝導状態に遷移する温度よりも桁違いに低くなります。

コロラド大学の科学者は、1980年代に発明されたレーザー冷却と磁気蒸発冷却の技術を使用して、1995年に初めてルビジウム87原子の凝縮体を得ることができました。結露は約170ナノケルビンの温度で発生しました。その同じ年の数か月後、MITの科学者のグループが、ナトリウム23原子からボーズ凝縮を作成し、2つの異なる凝縮間の量子干渉を示しました。

凝縮液は重力の影響に非常に敏感であり、原子をトラップからノックアウトして効果的な冷却を妨げる可能性があります。この感度により、ボーズ・アインシュタイン凝縮を10〜3g未満の感度の慣性加速度計に使用できます。このようなセンサーの開発と改良は、微小重力(無重力)の条件下で実行するのに非常に便利であり、これは凝縮液中の原子数の増加とその温度のさらなる低下にも貢献します。

これまで、科学者たちは、コンデンセートに作用する地球の重力場を補うために多くの努力をしてきました。原則として、これらの解決策は非常に面倒であり、特別なエレベーターの使用、高さ10メートルの超高真空チャンバーの作成、または落下塔内の高さ120メートルから自由に落下する堅牢な設備(は、ブレメンスキー大学の応用宇宙技術と微小重力(ZARM)の中心に位置し、最大50gの過負荷に耐えることができます。最新の実験の1つでは、科学者は、高度240 km以上に上昇し、約6分間自由落下した気象MAIUS-1に設置して、無重力でルビジウム87凝縮物を研究しました。この方向への次の論理的なステップは、無重力でのコンデンセートの長期研究のために、ISSで(つまり、低軌道に)本格的な実験装置を立ち上げることです。

ロバートJ.トンプソンが率いるNASAのコールドアトム研究所の科学者は、2018年にISSに納入され、宇宙飛行士によって配備および打ち上げられた完全自律型EXPRESS施設での凝縮水測定の結果を実証しました。現在の実験でISSで得られた凝縮体は、いくつかの特徴を示しています。それは、より多くの原子で構成され、非磁性状態の原子を含み、凝縮体の自由状態での膨張時間は1秒以上です。 。

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地球(a)と宇宙(b)のボーズアインシュタイン凝縮。グラフの緑色の点は、原子の吸収を表しています。青と赤の線(凝縮物と原子の熱雲からの直接信号)は、(a)と(b)でほぼ同じです。パネル(b)のグラフのオレンジ色の線は、非磁性状態の原子からの吸収信号を示しています。これは、地上の凝縮物には存在しません。

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外部磁場が印加されたときのさまざまな状態のルビジウム87原子の雲の進化。磁性凝縮原子とは異なり、非磁性原子の雲は、一定の磁場にさらされたとき、および小さな磁場勾配で移動しません。

閉じ込め磁場mF = 2の方向に磁気モーメントが投影された状態で、十分に閉じ込められた原子によって直接形成された凝縮体に加えて、科学者はmFで非磁性状態の原子の雲を見ることができました。 = 0、これは通常、地上条件下のルビジウム87凝縮物では形成されません。通常、重力はこれらの原子に最大の影響を及ぼしますが、重力がゼロの場合、この影響は本質的にありません。重力は軌道上のすべてのオブジェクトで同じであり、トラップに対して原子を移動させません。

mF = 0の原子の小​​さな磁気モーメントは、2次ゼーマン効果により発生し、磁場の2乗に比例します。研究者たちは、ゼロ以外の横磁場勾配∇Bで小さな磁気モーメントに作用する力による非磁性雲の変位を検出することができました。トラップをオフにした後、主凝縮雲は縦磁場によって簡単に移動しますが、非磁性原子の雲は横勾配が大幅に増加した場合にのみ移動します。

無重力の原子雲には約4万9千個の原子が含まれており、そのうちの26パーセントは直接凝縮したものでした。これは、地球上の同じ設備で得られたコンデンセートの原子数の3倍です。コンデンセート雲の幅を測定することで、トラップ状態のコンデンセートの温度を17ナノケルビンと推定することができました。

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130ナノケルビンの臨界温度での原子の冷却と凝縮の形成

無料のコンデンセート体制により、無重力の利点を十分に発揮することができました。これを行うために、科学者は形成された凝縮物の原子を非磁性状態に移し、1.2秒間雲の自由な膨張を観察しました。これらの観測から、物理学者は残留効果による重心の変位率を決定し、また雲の膨張率を熱膨張と比較しました。温度は、チップの平面での膨張(トラップデバイスの詳細)では231ピコケルビン、チップに垂直な方向での膨張では720ピコケルビンでした。

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無重力での自由なボーズ・アインシュタイン凝縮の膨張

著者らは、彼らの結果が、一定の無重力状態でボーズ・アインシュタイン凝縮を研究することの利点を説得力を持って示していると信じており、近い将来、凝縮液(「バブルシェル」)内の原子の異常な構成を実現できることを期待しています。原子球状レーザーを作成するための凝縮物の適用性を調査するだけでなく。

軌道上での設置の測定は、実験の完全な自動化なしでは不可能です。以前、科学者は、ボーズ・アインシュタイン凝縮を得るために原子を冷却するプロセスを制御するための人工知能を教えていました。また、最近、ボーズ・アインシュタイン凝縮がポラリトンからどのように形成されるかについての量子ケンタウロスを発表しました。

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