NASA создаёт пятое состояние материи на орбите с помощью холодильника размером с мини-бар

Международная космическая станция часто воспринимается лишь как жилой модуль на орбите, хотя на самом деле это гигантская лаборатория.

Здесь учёные изучают всё – от биологии до физики, но в условиях космоса. Такой уникальный ресурс делает возможными эксперименты, невыполнимые на Земле, включая создание пятого состояния материи.

NASA объявила о запуске четвёртого обновления для Cold Atom Lab, единственной в своём роде установки для исследования квантовой теории и её применений. Лаборатория размером примерно с мини-холодильник работает при температурах ниже -273 градусов по Цельсию.

В сочетании с микрогравитацией условия внутри установки идеально подходят для изучения квантового объекта под названием конденсат Бозе-Эйнштейна, пятого состояния материи помимо твёрдого, жидкого, газообразного и плазмы.

Итан Эллиотт, заместитель научного руководителя проекта Cold Atom Lab в Лаборатории реактивного движения NASA (JPL), заявил:

В прошлом веке произошла квантовая революция, которая привела к появлению лазеров, мобильных телефонов и МРТ для медицинской визуализации. Мы занимаемся квантом 2.0, прямым управлением крупными квантовыми состояниями, и надеемся на аналогичный прогресс в квантовых технологиях благодаря развитию этой науки на орбите.

Ещё в 1924 году Альберт Эйнштейн предсказал, что при температурах, близких к абсолютному нулю, отдельные атомы объединяются в единую квантовую сущность, описываемую волновыми функциями. Эйнштейн опирался на квантовые формулировки индийского физика Шатьендраната Бозе. Именно так возникла идея, получившая название конденсат Бозе-Эйнштейна.

Создавать и удерживать такие состояния оказалось непросто. Лишь в 1995 году исследователи впервые смогли реализовать конденсат Бозе-Эйнштейна на практике. За это достижение физики совместно получили Нобелевскую премию по физике в 2001 году.

Когда конденсаты стали реальностью, учёные также обнаружили, что эти редкие системы связаны с двумя важными низкотемпературными явлениями. Речь идёт о сверхтекучести, движении жидкости с нулевым трением, и сверхпроводимости, движении электронов с нулевым сопротивлением.

Цель Cold Atom Lab заключается в более глубоком понимании этих свойств, ведь сверхтекучие и сверхпроводящие материалы станут ключом к созданию квантовых технологий следующего поколения.

Установка использует то, как микрогравитация низкой околоземной орбиты усиливает волновые функции, создаваемые конденсатами. По данным NASA, такие условия позволяют исследователям изучать более крупные квантовые волны в течение более длительного времени, чем в земных лабораториях.

Джейсон Уильямс, учёный JPL, связанный с проектом Cold Atom Lab, сообщил:

Ультрахолодная материя может вести себя не только неожиданным образом, но и обеспечивать чрезвычайно точные измерения времени, гравитации и движения. У лаборатории множество инструментов, особенно с этим последним обновлением, чтобы мы могли исследовать природу Вселенной.

Каждый эксперимент проводится на комплексе приборов, который называется научным модулем. Сначала исследователи нагревают полоску рубидия или калия до 400 градусов по Цельсию, что заполняет вакуумную камеру газом. Затем по газу выстреливают лазеры, отбирающие энергию у атомов и охлаждающие их.

После этого магнитная ловушка удерживает газ на месте, а исследователи применяют финальные приёмы для дальнейшего снижения температуры.

По объяснению NASA, это приближает газ к полной неподвижности и максимально увеличивает время его пребывания в микрогравитации.