Квантовая наука изучает поведение материи и энергии в чрезвычайно малых масштабах — на примере атомов, электронов и частиц света. Хотя мы обычно представляем атомы как крошечные шарики, которые сталкиваются друг с другом, на самом деле квантовый мир устроен гораздо сложнее. Атомы могут вести себя как волны, появляться одновременно в нескольких местах и даже проходить друг сквозь друга при определенных условиях.
Cold Atom Lab — это установка размером с небольшой холодильник, которой управляют дистанционно с Земли. Внутри нее атомы охлаждают до температуры ниже минус 237 °C, то есть до долей градуса выше абсолютного нуля. В таких условиях они образуют особое квантовое состояние — конденсат Бозе–Эйнштейна (BEC), которое называют «пятым состоянием вещества» наряду с твердым, жидким, газообразным и плазмой.
В таком конденсате атомы ведут себя как одна большая «материальная волна» и подчиняются законам квантовой механики, хотя там по себе полученный объект заметно крупнее отдельных частиц. В условиях микрогравитации на низкой околоземной орбиты эти волновые структуры могут становиться еще больше и жить дольше, чем в наземных лабораториях.
«При самых низких температурах материя ведет себя радикально иначе, чем мы привыкли, — говорит Джейсон Уильямс, научный руководитель проекта из Лаборатории реактивного движения (JPL). — Волновая природа вещества доминирует, и ультрахолодная материя позволяет делать сверхточные измерения времени, гравитации и движения. В лаборатории, особеннл после ее недавней модернизации, есть много инструментов для изучения природы Вселенной».
В центре установки — научный модуль, сложный набор оптики, вакуумных камер и магнитных ловушек. Новый, усовершенствованный модуль прибыл на МКС 11 апреля на грузовом корабле. Во время экспериментов полоски металлов рубидия или калия нагревают до примерно 400 °C, превращая их в газ в вакууме. Затем особым образом настроенные лазеры «отбирают» у атомов энергию, резко замедляя и охлаждая их. После лазерного охлаждения облако атомов захватывают магнитные поля, а затем температуру в установке доводят почти до «полной остановки» движения частиц.
Такие эксперименты можно проводить и на Земле, но космос дает ключевые преимущества. В невесомости облака квантового газа можно наблюдать дольше, охлаждать сильнее и позволять им свободно расширяться, не оседая вниз. Это дает возможность формировать более крупные квантовые волны и дольше отслеживать их взаимодействие с гравитацией. Для этого инженерам пришлось «упаковать» то, что обычно занимает целую лабораторию, в компактный модуль для стандартного стеллажа МКС.
«Мы первыми создали конденсат Бозе–Эйнштейна на орбите и показываем, что квантовые технологии могут надежно работать в космосе», — говорит заместитель научного руководителя Этан Эллиотт. По его словам, если XX век принес науке первую «квантовую революцию» — лазеры, сотовую связь, МРТ, — то теперь речь о «квантовой революции 2.0»: прямом управлении крупными квантовыми состояниями, которое может стать основой для нового скачка в технологиях.
Текущая модернизация — уже четвертое крупное обновление Cold Atom Lab с момента установки на МКС в 2018 году. Среди ключевых улучшений — переработанная магнитная ловушка, которая позволяет менять форму облаков квантового газа и тем самым глубже анализировать свойства ультрахолодных атомов, а также новые источники атомов металлов.
Cold Atom Lab спроектирована, построена и управляется JPL (под управлением Caltech), а финансируется подразделением биологических и физических наук NASA. Благодаря уникальным условиям космоса, такие проекты помогают лучше понять, как ведут себя физические и биологические системы в экстремальных условиях — это важно и для длительных полетов у другим планетам, и для развития технологий на Земле.
Ранее ученые нашли способ управлять светом на атомарном уровне.
