Немецкие ученые впервые заставили скопления атомов вести себя как волны в условиях невесомости. Также они провели первые опыты по атомной интерферометрии — проследили, как эти атомные волны взаимодействуют друг с другом. Это поможет создать сверхчувствительные детекторы гравитационных волн, пишут ученые в научном журнале Nature Communications.
«Мы создали технологическую основу для опытов по космической атомной интерферометрии и показали, что эти эксперименты возможны не только на Земле, но и в безвоздушном пространстве, если использовать для этого конденсат Бозе — Эйнштейна», — рассказал один из авторов исследования, профессор Майнцского университета Патрик Виндпассингер.
Конденсат Бозе — Эйнштейна — это экзотическая квантовая форма материи, которая похожа на газ и жидкость одновременно. Он состоит из множества атомов, охлажденных почти до абсолютного нуля. Конденсат Бозе — Эйнштейна себя как один гигантский атом, подчиняясь законам квантовой физики. Благодаря этому ученые могут манипулировать его свойствами и использовать его в качестве кубитов — ячеек квантовых компьютеров и прототипа сверхпроводников.
Физиков давно интересует, какими свойствами будет обладать конденсат Бозе-Эйнштейна, если отправить его в космос. Реализовать это было крайне сложно, так как чтобы его создать, раньше нужна была холодильная установка размером в несколько зданий. Четыре года назад немецкие инженеры создали миниатюрную версию этой установки и отправили ее в космос на борту спутника MAIUS-1. Благодаря этому они получили первый «космический» конденсат Бозе — Эйнштейна.
Убедившись, что эта установка работает корректно и может поддерживать существование экзотической квантовой формы материи, Виндпассингер и его коллеги попытались использовать MAIUS-1 для первых опытов по атомной интерферометрии в космосе.
Атомные интерферометры — это приборы, внутри которых скопления атомов, в том числе конденсат Бозе — Эйнштейна, начинают вести себя не как отдельные частицы, а как волна. Благодаря этому можно наблюдать, как подобные волны будут взаимодействовать друг с другом, и отслеживать, как на это будут влиять внешние факторы, в том числе гравитация.
Последнее позволит увеличить чувствительность детекторов гравитационных волн, а также улучшить работу многих других научных приборов. Особенное внимание ученых привлекает возможность установки атомных интерферометров на различные космические аппараты.
Чтобы приблизиться к реализации этой задачи, Виндпассингер и его коллеги создали внутри MAIUS-1 два скопления конденсата Бозе — Эйнштейна, расщепив облако из атомов рубидия короткими вспышками лазера, и столкнули их друг с другом. Наблюдения показали, что атомные «волны» действительно взаимодействовали друг с другом: они поменяли свое поведение после сближения с другим скоплением конденсата.
Результаты этой работы, по словам исследователей, открывают дорогу не только для создания сверхчувствительных датчиков гравитационных волн, но и для новых экспериментов по проверке принципа эквивалентности — одного из ключевых постулатов теории относительности.
Первые опыты такого рода физики планируют провести уже в следующем году на борту нового спутника MAIUS-2. Ученые хотят проследить за столкновениями двух разных типов конденсата Бозе — Эйнштейна, которые будут состоять из атомов рубидия и калия с разной массой.
Это тоже интересно