Chińska stacja kosmiczna. Schłodzono atomy rubidu do 9,7 pikokelwina

Kluczowym elementem doświadczenia w mikrograwitacji było to, że po zwolnieniu chmury rubidu z pułapki laserowej naukowcy mogli obserwować ją przez około siedem sekund. Tak długi czas śledzenia zachowania atomów na orbicie okazał się wystarczający, by wyznaczyć temperaturę, której nie da się wiarygodnie zmierzyć w typowych warunkach naziemnych.

Osiągnięty poziom 9,7 pikokelwina oznacza wynik mniej więcej czterokrotnie lepszy od wcześniejszego oficjalnego minimum. Wcześniejsze rekordy ustanawiano m.in. w wieży spadkowej, gdzie uzyskano 38 pikokelwinów przez 2 sekundy, oraz w Cold Atom Laboratory na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej – 52 pikokelwiny przez 1 sekundę. W obu rozwiązaniach ograniczeniem były zbyt krótki czas pomiaru i warunki, które utrudniały dłuższe, stabilne obserwacje.

Środowisko mikrograwitacji pozwoliło nie tylko wydłużyć samą obserwację, ale też stworzyć i kontrolować kondensat Bosego–Einsteina, czyli stan materii, w którym wiele atomów zachowuje się jak jeden obiekt opisany falą kwantową. Dzięki temu możliwe stało się śledzenie zjawisk typowych dla ekstremalnie schłodzonej materii oraz wykonywanie dokładniejszych pomiarów.

Chłodzenie rozpoczęto od około 20 tys. cząsteczek rubidu. Najpierw zastosowano chłodzenie laserowe, a potem chłodzenie przez odparowanie – tak, by z układu usunąć najcieplejsze atomy. Następnie uzyskany kondensat umieszczono w pułapce optycznej i uwalniano stopniowo, aby ograniczyć energię odpowiedzialną za rozszerzanie się chmury po zwolnieniu.

Temperaturę wyznaczono na podstawie szczegółowej analizy tego, jak chmura rubidu zwiększała rozmiar w trzech wymiarach. Zespół określił niepewność pomiaru na poziomie od 7,0 do 12,9 pikokelwina, co podkreśla precyzję przeprowadzonych obserwacji. Zwrócono też uwagę, że tego typu kondensat może stać się użyteczną bazą do kolejnych badań oraz symulacji zjawisk kwantowych.

W następnych etapach badacze chcą korzystać z większych pułapek, aby jednocześnie obserwować większą liczbę atomów. Rozważany jest również atomowy interferometr, który mógłby posłużyć do sprawdzania podstawowych praw fizyki, w tym testów dotyczących zasady równoważności dla ciał o różnych przyspieszeniach w polu grawitacyjnym.