O kulisach działań w tej sprawie możemy przeczytać na łamach Nature Communications. Jak wyjaśniają autorzy, kondensat Bosego-Einsteina jest jednym z najbardziej niezwykłych stanów materii. Powstaje, gdy atomy zostają schłodzone do temperatur zaledwie ułamków stopnia powyżej zera absolutnego. W takich warunkach ogromna liczba cząstek zaczyna zachowywać się jak jeden wspólny obiekt kwantowy, tworząc swoistą falę materii. Zjawisko to przewidział w sposób teoretyczny duet w postaci Alberta Einsteina i Satyendrę Natha Bosego w latach 20. XX wieku, jednak jego eksperymentalne potwierdzenie nastąpiło dopiero w 1995 roku.
Czytaj też: Jak światło reaguje na grawitację? To odkrycie zmieni sposób, w jaki badamy wnętrze Ziemi
Tym razem badaczom udało się osiągnąć coś znacznie bardziej zaawansowanego. W warunkach mikrograwitacji stworzyli jednocześnie dwa kondensaty Bosego-Einsteina z różnych pierwiastków: potasu-41 oraz rubidu-87. Takie układy są szczególnie cenne dla nauki, ponieważ umożliwiają analizowanie wzajemnych oddziaływań pomiędzy różnymi gatunkami atomów oraz obserwowanie ich zachowania pod wpływem grawitacji z niespotykaną wcześniej precyzją.
Za sukcesem eksperymentu stoi urządzenie MAIUS-B, pierwotnie opracowane z myślą o misjach rakietowych. Aparatura została zminiaturyzowana i zintegrowana w taki sposób, aby mogła funkcjonować podczas krótkich okresów nieważkości. Proces chłodzenia rozpoczynał się od atomów rubidu, które następnie pomagały schładzać atomy potasu poprzez wzajemne zderzenia. Dzięki temu cały proces tworzenia podwójnego kondensatu trwał zaledwie 2,3 sekundy, czyli wystarczająco krótko, aby zmieścić się w około czterosekundowym oknie mikrograwitacji zapewnianym przez tzw. Windę Einsteina.
Ta ostatnia to wyjątkowa instalacja badawcza znajdująca się w Hanowerze. Urządzenie pozwala na wielokrotne odtwarzanie warunków zbliżonych do nieważkości bez konieczności wysyłania eksperymentów w kosmos. Specjalna platforma porusza się pionowo w kontrolowany sposób, umożliwiając prowadzenie badań nad ultrazimną materią i technologiami kwantowymi w warunkach swobodnego spadku.
Z relacji uczonych wynika, iż nowa metoda osiągnęła najwyższą dotychczas odnotowaną wydajność produkcji mieszaniny dwóch kondensatów Bosego-Einsteina w kompaktowym systemie. W porównaniu z wcześniejszymi mobilnymi eksperymentami udało się uzyskać nawet kilkukrotnie większą liczbę skondensowanych atomów w tym samym czasie. Większa liczba cząstek oznacza silniejsze efekty oddziaływań kwantowych, które łatwiej analizować i mierzyć.
Czytaj też: Naukowcy przełączają stany kwantowe, jakby to były programy w TV. Zdradzili, jak tego dokonali
Jednym z najtrudniejszych etapów eksperymentu okazało się uwolnienie atomów z pułapki magnetycznej. Pole magnetyczne nie zanika bowiem natychmiast po wyłączeniu urządzenia. Powoduje to, że atomy potasu i rubidu mogą otrzymywać nieco różne impulsy i zaczynać oddalać się od siebie już w pierwszych chwilach swobodnego spadku. Badacze musieli opracować precyzyjne procedury pozwalające ograniczyć ten efekt do minimum, aby zachować stabilność układu.
A co z praktycznymi zastosowaniami? Technologie opracowane w ramach projektu MAIUS-B mają zostać wykorzystane w przyszłej instalacji BECCAL, czyli wspólnym projekcie niemieckiej agencji DLR i NASA przeznaczonym dla Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Celem programu jest prowadzenie długotrwałych badań nad ultrazimną materią w przestrzeni kosmicznej, gdzie warunki mikrograwitacji utrzymują się przez wiele miesięcy. Podobne eksperymenty w przyszłości powinny podzielić przeprowadzać niezwykle dokładne testy podstawowych praw fizyki, w tym zasady równoważności Einsteina, a także rozwijać nowe generacje czujników kwantowych i systemów nawigacyjnych.
Źródło: Nature Communications
