空间站实验到达Ultracold里程碑

2019-06-17 15:48:18

国际空间站是太空中最酷实验的正式所在地。

美国宇航局的冷原子实验室(CAL)于5月下旬在该站的美国科学实验室安装,现在正在产生被称为玻色 - 爱因斯坦凝聚物的超冷原子云。这些“BEC”达到的温度恰好高于绝对零度,理论上原子应完全停止运动。这是BEC首次在轨道上生产。

CAL是一个多用户设施,致力于利用微重力中的超冷量子气体研究自然界的基本定律。冷原子是长寿命,精确控制的量子粒子,为量子现象的研究和量子技术的潜在应用提供了理想的平台。这个NASA设施是太空中的第一个此类设施。它旨在提高科学家对重力进行精确测量的能力,探索量子物理学中的长期存在的问题(以极小的尺度研究宇宙),并探索物质的波状性质。

“在空间站进行BEC实验是一个梦想成真,”加州帕萨迪纳市美国宇航局喷气推进实验室的CAL项目科学家和物理学家罗伯特汤普森说。“到达这里是一条漫长而艰难的道路,但完全值得为之奋斗,因为我们将能够利用这一设施做多少事情。”

CAL科学家上周证实,该设施已经从铷原子产生BEC,温度低至100纳克,或绝对零度以上千分之一千开。(绝对零或零开尔文等于最小459华氏度,或零下273摄氏度)。这比空间的平均温度更冷,大约是3开尔文(零下454华氏度/零下270摄氏度)。但CAL科学家的目标设定得更低,并且预计温度会比任何BEC实验在地球上的温度都要低。

在这些超冷温度下,BEC中的原子开始表现得与地球上任何其他物质不同。事实上,BEC的特征是第五种物质状态,不同于气体,液体,固体和等离子体。在BEC中,原子更像波浪而不是粒子。原子的波动性质通常只能在微观尺度上观察到,但BEC使这种现象变得宏观,因此更容易研究。超冷原子都处于最低能量状态,并具有相同的波形特征,变得难以区分。原子云一起就像一个“超原子”,而不是单个原子。

不是一个简单的工具

“CAL是一种极其复杂的仪器,”JPL天文和物理理事会首席工程师Robert Shotwell说道,他自2017年2月开始监督这一具有挑战性的项目。“通常情况下,BEC实验涉及到足够的设备来填充房间并需要接近持续的监控由科学家提供,而CAL的大小与小型冰箱相当,可以从地球远程操作。这是一场斗争,需要付出巨大努力来克服生产今天在空间站上运行的复杂设施所需的所有障碍。“

第一个实验室BEC是在1995年生产的,但这种现象最初是由物理学家Satyendra Nath Bose和Albert Einstein在71年前预测的。Eric Cornell,Carl Wienman和Wolfgang Ketterle分享了2001年诺贝尔物理学奖,因为他是第一个在实验室中创建和表征BEC的人。五个科学小组,包括由康奈尔和凯特勒领导的小组,将在第一年进行CAL实验。自20世纪90年代中期以来,已在地球上进行了数百次BEC实验,并且一些BEC实验甚至在探空火箭上进行了短暂的太空旅行。但CAL是空间站上第一个此类设施,科学家们可以长期对BEC进行日常研究。

BEC由原子陷阱或由磁场或聚焦激光器制成的无摩擦容器产生。在地球上,当这些陷阱被关闭时,重力会拉动超冷原子并且它们只能被研究几分之一秒。空间站的持续微重力使科学家能够一次观察5到10秒的单个BEC,并能够每天重复这些测量长达6小时。当原子云在原子阱内解压缩时,其温度自然下降,云停留在陷阱中的时间越长,它就越冷。这种自然现象(压力下降也意味着温度下降)也是喷涂油漆时喷漆罐变冷的原因:罐内压力下降。在微重力中,BEC可以比任何地球仪器减压到更冷的温度。CAL的日常运作不需要车站上的宇航员进行干预。

除了由铷原子制成的BEC之外,CAL团队正致力于使用两种不同的钾原子同位素来制造BEC。

CAL目前正处于调试阶段,其中运营团队进行了一系列测试,以充分了解CAL设施如何在微重力下运行。

“有一个全球范围内的科学家团队已经准备好并且很兴奋地使用这个设施,”JPL的CAL任务经理Kamal Oudrhiri说。“他们计划进行的各种各样的实验意味着在我们将仪器转交给主要研究人员开始科学操作之前,有很多技术可以操纵和冷却我们需要适应微重力的原子。”科学阶段是预期的从9月初开始,将持续三年。

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