Китайские ученые охладили облако атомов рубидия до 9,7 пикокельвина и удерживали его в стабильном состоянии в течение семи секунд. Это самая низкая температура, полученная человеком, сообщает «Синьхуа». Предыдущий рекорд составлял 38 пикокельвинов: его установила немецкая команда в 2021 году. Эксперимент провели на китайской космической станции в установке для исследования ультрахолодных атомов. Статья опубликована в журнале Science.
Температура облака оказалась всего на 9,7 триллионной доли градуса выше абсолютного нуля — теоретически минимальной температуры, которая соответствует примерно −273,15 градуса Цельсия. Вблизи этого предела тепловое движение атомов резко замедляется, а квантовые эффекты становятся заметнее.
Охлаждение лазером и невесомостью
Исследователи удерживали облако в полностью оптической ловушке, а затем снижали интенсивность лазера. Это позволило дополнительно охладить атомы за счет испарения. На заключительном этапе команда применила метод глубокого охлаждения, называемый неадиабатической диффузией.
По словам авторов, такая схема сложнее распространенного подхода с магнитной ловушкой, но меньше подвержена магнитным помехам, позволяет точнее управлять экспериментом в космосе и предоставляет больше возможностей для оптического доступа. Это делает ее совместимой с более широким кругом экспериментов по квантовому моделированию.
В условиях микрогравитации атомы можно удерживать более слабой ловушкой, что помогает достичь более низких температур и дольше наблюдать облако. Время наблюдения в наземных экспериментах составляет около 0,05 секунды, на Международной космической станции — примерно секунду, а в новом эксперименте достигло семи секунд.
Как лаборатория поместилась на станции
Подготовка проекта началась в 2011 году, а экспериментальную систему доставили на орбиту вместе с модулем «Мэнтянь» в 2022-м.
Инженерам пришлось уменьшить установку, наземный аналог которой занимал около 20 кубометров и весил 10 тонн. Космический вариант разместили в стойке объемом 0,7 кубометра и массой полтонны. Для этого исследователи решили задачи, связанные со сверхвысоким вакуумом, мощными волоконными лазерами, долговременной стабилизацией их частоты и точной интеграцией оптики.
Зачем нужны ультрахолодные атомы
При охлаждении квантовые явления легче наблюдать и контролировать. Такая система может служить платформой для изучения фазовых переходов, неравновесной динамики и взаимодействий между множеством частиц.
Результат также может поддержать разработки высокоточных атомных часов, инерциальных измерений на основе атомной интерферометрии и квантовых вычислений. Среди возможных направлений исследований ученые называют моделирование ранней Вселенной и поиск сверхлегкой темной материи.
Представители программы пригласили исследователей из разных стран использовать установку на китайской станции.