Wróćmy jednak do podstaw. Zero absolutne to najniższa teoretycznie możliwa temperatura, wynosząca -273,15 stopnia Celsjusza, czyli 0 kelwinów. W takich warunkach energia termiczna układu osiąga swoje minimalne możliwe wartości. Zgodnie z zasadami termodynamiki nie można jednak osiągnąć tej granicy w skończonej liczbie procesów. Chińskim naukowcom udało się zbliżyć do niej na niezwykle małą odległość. Otrzymana temperatura wyniosła 9,7 pikokelwina, co odpowiada 0,0000000000097 kelwina. Dla porównania kosmiczne promieniowanie tła ma temperaturę około 2,7 kelwina. Oznacza to, że uzyskana wartość jest około 280 miliardów razy niższa.
Czytaj też: Zwyczajny metal może rozwiązać jeden z największych problemów energetyki. Kto by się tego spodziewał?
Badacze wykorzystali około 20 tysięcy atomów rubidu-87. Pierwiastki te szczególnie dobrze nadają się do eksperymentów z chłodzeniem laserowym i badania zjawisk kwantowych. Najpierw atomy zostały uwięzione w specjalnej pułapce optycznej, wykorzystującej wiązki światła laserowego. Następnie naukowcy zastosowali tzw. chłodzenie ewaporacyjne, które ppolega na usuwaniu najbardziej energetycznych atomów z układu, dzięki czemu pozostała chmura stopniowo się ochładza.
Na Ziemi podobne eksperymenty napotykają jednak istotne ograniczenie: grawitację. Kiedy pułapka staje się zbyt słaba, atomy zaczynają opadać i trudno utrzymać je w odpowiednich warunkach. Na orbicie problem ten jest znacznie mniejszy, ponieważ urządzenia i znajdujące się w nich atomy pozostają w stanie ciągłego swobodnego spadania. Paradoksalnie, mikrograwitacja stworzyła nowe wyzwanie. Bez wpływu grawitacji najgorętsze atomy nie opuszczały pułapki tak łatwo, jak na Ziemi. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy wykorzystali dodatkowe pole magnetyczne, które pomogło usprawnić proces chłodzenia.
W trakcie eksperymentu uzyskali kondensat Bosego-Einsteina, czyli stan materii powstający w ekstremalnie niskich temperaturach. W takich warunkach atomy zaczynają zachowywać się zbiorowo, jakby tworzyły jeden wielki obiekt kwantowy. Zjawisko to jest niezwykle interesujące dla fizyków, ponieważ pozwala obserwować efekty mechaniki kwantowej w skali znacznie większej niż pojedyncze atomy.
Po zakończeniu chłodzenia badacze przenieśli kondensat do szerszej pułapki laserowej, stopniowo ją osłabiali, a następnie całkowicie wyłączyli. Uwolniona chmura atomów rozszerzała się wyjątkowo powoli. Naukowcy mogli obserwować ją nawet przez siedem sekund. Na podstawie tempa tego rozszerzania obliczyli rekordową temperaturę 9,7 pikokelwina.
Czytaj też: Fizycy złamali jedną z podstawowych zasad. Dwa elektrony dokonały czegoś, co miało być niemożliwe
Ale czy oznacza to coś więcej niż tylko pobicie rekordu? Wśród najbardziej obiecujących zastosowań można wymienić rozwój interferometrii atomowej. Technologia ta wykorzystuje falową naturę atomów do niezwykle precyzyjnego mierzenia zmian przyspieszenia, ruchu i pola grawitacyjnego. Poza tym w grę wchodzi testowanie zasady równoważności, czyli jednego z fundamentów ogólnej teorii względności. Naukowcy chcą badać egzotyczne stany materii oraz zjawiska, których nie da się łatwo zaobserwować w ziemskich laboratoriach.
Źródło: Science
