Po raz pierwszy przeprowadzono interferometrię atomową w kosmosie. Co oznacza to przełomowe badanie?

Urok niskich temperatur nęci fizyków, bo też z każdym krokiem w stronę absolutnego zera fizyka ukazuje swoje nowe, coraz wspanialsze oblicze. Takim, mniej więcej, zdaniem rozpoczął w 2001 roku swój wykład noblowski Wolfgang Ketterle. Za wspólne z dwoma kolegami po fachu badania nad tzw. kondensatem Bosego-Einsteina otrzymał 20 lat temu najbardziej prestiżową nagrodę wręczaną za dokonania naukowe.

Ketterle zajmuje się wynajdywaniem nowych metod ochładzania, łapania (pułapkowania) i manipulowania atomami w celu poznawania właściwości ultrazimnej materii. Jego praca ma olbrzymie znaczenie dla konstruowania laserów atomowych i komputerów kwantowych o wielkiej mocy i niewielkich rozmiarach. Żeby właściwości materii w takich warunkach zmierzyć, trzeba mieć odpowiednie narzędzia.

Tu rola interferometrii. Od lat należy do najbardziej zaawansowanych i najdokładniejszych technik pomiarowych, a użycie interferometrów pozwala uzyskiwać najdokładniejsze pomiary czasu, częstotliwości i sił bezwładności. Jak czytamy na unijnym serwisie Cordis, w interferometrze wykorzystuje się dwie fale sondujące (fale świetlne lub fale materii), których przesunięcie fazowe generuje mierzalne zjawiska interferencyjne. Domeną interferometrii jest mierzenie takich zjawisk w celu oszacowania występującego przesunięcia fazowego z jak najmniejszą niepewnością.

Obiektem badań interferometru kwantowego jest egzotyczny stan materii, ów kondensat Bosego-Einsteina (KBE, symulacja na zdjęciu powyżej). Interferometr wnioskuje na temat drobnych sił i przyśpieszeń właśnie na postawie ich wpływu na KBE. A uzyskuje się go schładzając rozcieńczony gaz o odpowiednim składzie atomowym do temperatury bardzo bliskiej zeru bezwzględnemu. Tak przeraźliwe zimno jest potrzebne, tłumaczą autorzy portalu na temat badań wspieranych przez UE, bo w wyższych temperaturach atomy gazu bezustannie zderzają się chaotycznie ze sobą z ogromnymi prędkościami. Z kolei atomy w KBE poruszają się znacznie wolniej i w sposób bardziej uporządkowany.

Już wtedy, gdy taki rubid czy potas schładza się do części mikrokelwina na Ziemi, to nie jest to zadanie proste. A jeżeli dokładne pomiary fizycy chcieliby robić w przestrzeni kosmicznej? Paradoksalnie jest łatwiej. Na Ziemi wrogiem kondensatów jest grawitacja. Ze względu na przyciąganie ziemskie konieczne jest w procesie tworzenia KBE głębokich pułapek magnetycznych. Inaczej gazu nie da się utrzymać w jednej objętości. W konsekwencji rośnie gęstość takiego gazu i szybciej zamyka się okno czasowe na przeprowadzenie badania.

Na Ziemi po uwolnieniu gazu naukowcy mają zaledwie sekundy na swoje doświadczenia zanim odpychające się atomy rozszerzą chmurę na tyle, by obserwacja KBE przestała być możliwa. A przy mikrograwitacji pułapki mogą być płytsze a kondensaty rzadsze, więc i czasu na doświadczenia jest więcej. Naukowcy mają już swoje sukcesy. W 2018 roku udało się na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej stworzyć kondensat Bosego-Einsteina na orbicie. Utrzymał się nieco ponad sekundę. W kosmosie i stanie mikrograwitacji rok wcześniej zrobili to jednak Niemcy m.in. z Instytutu Fizyki z Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji po wystrzeleniu rakiety z północnej Szwecji.

Jak pisali cztery lata temu autorzy misji MAIUS 1 (Matter-Wave Interferometry in Microgravity), mogłaby być ona określona najbardziej złożonym eksperymentem naukowym przeprowadzonym na pokładzie rakiety meteorologicznej (ang. sounding rocket). W trwającej 6 minut fazie lotu w której panował stan mikrograwitacji, niemieccy naukowcy stworzyli KBE i przeprowadzili na nim blisko 100 eksperymentów z wykorzystaniem interferometrii atomowej. Piszemy o tym teraz, ponieważ w czasopiśmie „Nature Communications” ukazała się analiza tego, co wówczas badano.

Udowodniono, czytamy w informacji prasowej, że wykorzystanie interferometru atomowego utworzonego z KBE do prowadzania pomiarów możliwe jest w kosmosie (tak, NASA też to pokazała). Co do planów na przyszłość, to niemieccy uczeni chcą w misjach MAIUS-2 i MAIUS-3 zaplanowanych na kolejne dwa lata użyć interferometrów stworzonych nie tylko z atomów rubidu, ale też z atomów potasu.

Porównanie wyników pozwoli z niedostępną dotąd precyzją przetestować fundamentalny składnik Ogólnej Teorii Względności Einsteina, czyli zasadę równoważności. Zasada ta spaja dwie oddzielne kategorie, ruch i grawitację. Dalsze badania kondensatów mogą też pomóc ultradokładnie wyznaczyć stałą grawitacyjną czy pomóc w doświadczeniach nad ciemną energią.