Группа физиков из Пекинского университета и Китайской академии наук установила новый мировой рекорд по охлаждению материи. В ходе эксперимента на борту китайской космической станции Tiangong ученые достигли эквивалентной температуры в 9,7 пикокельвинов (0,0000000000097 К). Этот показатель в 280 миллиардов раз ниже средней фоновой температуры Вселенной, которая составляет около 2,7 кельвинов.
Борьба с гравитацией
Целью исследования было создание конденсата Бозе-Эйнштейна — экзотического состояния материи, при котором атомы объединяются в единый квантовый объект. На Земле создание таких конденсатов затруднено гравитацией, которая мешает охлаждению атомов до экстремальных значений. Чтобы обойти это ограничение, оборудование Cold Atom Physics Rack было размещено на орбите.
Для охлаждения облака атомов рубидия-87 ученые использовали лазеры и метод испарительного охлаждения, при котором из ловушки удаляются самые энергичные частицы. Однако в условиях микрогравитации возникла новая проблема: отсутствие силы тяжести, которая на Земле помогает «вытягивать» горячие атомы из ловушки. Чтобы решить это, физики применили градиент магнитного поля, имитирующий действие гравитации.
Как измерили рекорд
В результате процесса был получен конденсат из примерно 20 000 атомов рубидия с температурой 3,1 нанокельвина. Затем его переместили в более широкую лазерную ловушку, которую постепенно ослабляли, чтобы облако расширялось с минимальной потерей энергии. После полного отключения ловушки ученые зафиксировали движение атомов спустя семь секунд после их освобождения.
Рассчитанная скорость расширения облака позволила определить эквивалентную температуру в 9,7 пикокельвинов. Предыдущий рекорд составлял 38 пикокельвинов и был установлен в 2021 году в ходе экспериментов в башне свободного падения в Бремене (Германия).
Зачем это нужно
Достижение таких температур важно не только ради рекорда. Чем медленнее движутся атомы, тем дольше за ними можно наблюдать и тем точнее становятся измерения. Это открывает возможности для развития атомной интерферометрии — метода, позволяющего фиксировать ничтожно малые изменения в окружающей среде.
По словам исследователей, такая платформа подходит для квантового моделирования и прецизионной метрологии в будущих космических миссиях. В частности, это поможет проверять фундаментальные законы физики, включая принцип эквивалентности, согласно которому гравитация воздействует на все объекты одинаково, независимо от их массы или состава.
