რატომ არის მინი მაცივრის ზომის "ცივი ატომის ლაბორატორია (CAL)" რომელიც დედამიწის გარშემო ბრუნავს ISS-ზე მნიშვნელოვანი მეცნიერებისთვის  

მატერიას აქვს ორმაგი ბუნება; ყველაფერი არსებობს ნაწილაკადაც და ტალღადაც. აბსოლუტურ ნულთან ახლოს ტემპერატურაზე, ატომების ტალღური ბუნება დაკვირვებადი ხდება ხილული დიაპაზონის რადიაციის საშუალებით. ასეთ ულტრაცივ ტემპერატურაზე ნანოკელვინის დიაპაზონში, ატომები ერთიანდებიან ერთ უფრო დიდ ერთეულში და გადადიან მეხუთე მდგომარეობაში, სახელწოდებით Bose Eisenstein Condensate (BEC), რომელიც იქცევა როგორც ტალღა დიდ პაკეტში. ყველა ტალღის მსგავსად, ამ მდგომარეობაში მყოფი ატომები აჩვენებენ ჩარევის ფენომენს და ატომური ტალღების ჩარევის ნიმუშების შესწავლა შესაძლებელია ლაბორატორიებში. სივრცის მიკროგრავიტაციულ გარემოში განლაგებული ატომური ინტერფერომეტრები მოქმედებს როგორც უკიდურესად ზუსტი სენსორი და იძლევა საშუალებას გაზომოს ყველაზე სუსტი აჩქარება. მინი მაცივრის ზომის ცივი ატომის ლაბორატორია (CAL), რომელიც დედამიწის გარშემო ბრუნავს საერთაშორისო კოსმოსურ სადგურზე (ISS) არის კვლევითი დაწესებულება ულტრაცივი კვანტური აირების შესასწავლად კოსმოსის მიკროგრავიტაციულ გარემოში. იგი განახლდა ატომური ინტერფერომეტრით რამდენიმე წლის წინ. 13 წლის 2024 აგვისტოს გამოქვეყნებული მოხსენების თანახმად, მკვლევარებმა წარმატებით ჩაატარეს ბილიკის ექსპერიმენტები. მათ შეეძლოთ ISS-ის ვიბრაციების გაზომვა სამპულსიანი Mach-Zehnder ინტერფერომეტრის გამოყენებით CAL-ის ბორტზე. ეს იყო პირველი შემთხვევა, როდესაც კვანტური სენსორი გამოიყენეს კოსმოსში, რათა აღმოეჩინა ცვლილებები უშუალო გარემოში. მეორე ექსპერიმენტი მოიცავდა რამსის ათვლის ტალღის ინტერფერომეტრიის გამოყენებას ჩარევის შაბლონების გამოსავლენად ერთ პერსპექტივაში. შაბლონები შეინიშნებოდა 150 ms-ზე მეტი თავისუფალი გაფართოების დროს. ეს იყო ატომების ტალღური ბუნების ყველაზე გრძელი დემონსტრირება სივრცეში თავისუფალ ვარდნაში. მკვლევართა ჯგუფმა ასევე გაზომა ბრაგის ლაზერული ფოტონის უკუცემა, როგორც პირველი კვანტური სენსორის დემონსტრირება სივრცეში ატომური ინტერფერომეტრიის გამოყენებით. ეს მოვლენები მნიშვნელოვანია. როგორც ყველაზე ზუსტი სენსორები, კოსმოსურ ულტრაცივ ატომის ინტერფერომეტრებს შეუძლიათ გაზომონ უკიდურესად სუსტი აჩქარებები, ამიტომ მკვლევარებს შესთავაზებენ კითხვების შესწავლას (როგორიცაა ბნელი მატერია და ბნელი ენერგია, მატერია-ანტიმატერიის ასიმეტრია, გრავიტაციის გაერთიანება სხვა ველებთან). რომ ფარდობითობის ზოგად თეორიას და ნაწილაკების ფიზიკის სტანდარტულ მოდელს არ შეუძლია ახსნას და შეავსოს უფსკრული სამყაროს შესახებ ჩვენს გაგებაში. 

ტალღები აჩვენებენ ჩარევის ფენომენს, ანუ, ორი ან მეტი თანმიმდევრული ტალღა გაერთიანდება და წარმოშობს შედეგად ტალღას, რომელსაც შეიძლება ჰქონდეს უფრო მაღალი ან დაბალი ამპლიტუდა გაერთიანებული ტალღების ფაზებიდან გამომდინარე. სინათლის შემთხვევაში, ჩვენ ვხედავთ შედეგად ტალღებს მუქი და მსუბუქი ზღურბლების სახით.  

ინტერფერომეტრია არის მახასიათებლების გაზომვის მეთოდი ინტერფერენციის ფენომენის გამოყენებით. იგი მოიცავს ინციდენტის ტალღის ორ სხივად გაყოფას, რომლებიც გადიან სხვადასხვა ბილიკებს, შემდეგ კი გაერთიანდებიან და ქმნიან შედეგს ინტერფერენციულ შაბლონს ან ზღურბლებს (შუქის შემთხვევაში). შედეგად მიღებული ჩარევის ნიმუში მგრძნობიარეა სხივების მოგზაურობის ბილიკების პირობების ცვლილებების მიმართ, მაგალითად, მოგზაურობის ბილიკის სიგრძის ან ნებისმიერი ველის ცვლილება ტალღის სიგრძესთან მიმართებაში გავლენას ახდენს ჩარევის სქემაზე და შეიძლება გამოყენებულ იქნას გაზომვებისთვის.   

დე ბროლის ტალღა ან მატერიის ტალღა  

მატერიას აქვს ორმაგი ბუნება; ის არსებობს როგორც ნაწილაკად ასევე ტალღად. ყველა მოძრავ ნაწილაკს ან ობიექტს აქვს ტალღის მახასიათებელი, რომელიც მოცემულია დე ბროლის განტოლებით  

λ = h/mv = h/p = h/√3mKT   

სადაც λ არის ტალღის სიგრძე, h არის პლანკის მუდმივი, m არის მასა, v არის ნაწილაკების სიჩქარე, p არის იმპულსი, K არის ბოლცმანის მუდმივი და T არის ტემპერატურა კელვინში. 

თერმული დე ბროლის ტალღის სიგრძე უკუპროპორციულია ტემპერატურის კვადრატული ფესვის კელვინში, რაც ნიშნავს რომ λ უფრო დიდი იქნება დაბალ ტემპერატურაზე.  

ულტრაცივი ატომური ტალღების შესწავლა 

ტიპიური ატომისთვის, დე ბროლის ტალღის სიგრძე ოთახის ტემპერატურაზე არის ანგსტრომის რიგითობა (10^-10 მ) ე.ი. 0.1 ნანომეტრი (1 ნმ=10^-9 მ). მოცემული ტალღის სიგრძის გამოსხივებას შეუძლია იმავე ზომის დიაპაზონის დეტალების ამოხსნა. სინათლეს არ შეუძლია მისი ტალღის სიგრძეზე ნაკლები დეტალების ამოხსნა, ამიტომ ოთახის ტემპერატურაზე ტიპიური ატომის გამოსახულება შეუძლებელია ხილული სინათლის გამოყენებით, რომელსაც აქვს ტალღის სიგრძე დაახლოებით 400 ნმ-დან 700 ნმ-მდე. რენტგენის სხივებს შეუძლია ანგსტრომის დიაპაზონის ტალღის სიგრძის გამო, მაგრამ მისი მაღალი ენერგია ანადგურებს იმ ატომებს, რომლებსაც ის უნდა აკვირდებოდეს. ამრიგად, გამოსავალი მდგომარეობს ატომის ტემპერატურის შემცირებაში (10-მდე^-6 კელვინი) ისე, რომ დე ბროლის ატომების ტალღების სიგრძეები იზრდება და შედარებული ხდება ხილული სინათლის ტალღის სიგრძეებთან. ულტრაცივ ტემპერატურაზე ატომების ტალღური ბუნება ხდება გაზომვადი და შესაბამისი ინტერფერომეტრიისთვის.  

ვინაიდან ატომების ტემპერატურა კიდევ უფრო მცირდება ნანოკელვინის დიაპაზონში (10^-9 კელვინი) დიაპაზონი დაახლოებით 400 ნკ-მდე, ატომური ბოზონები გადადის მეხუთე მდგომარეობაში მატერიაზე, რომელსაც ეწოდება ბოზე-აინშტაინის კონდენსატი (ძვ. წ.). ასეთ ულტრა დაბალ ტემპერატურაზე აბსოლუტურ ნულთან ახლოს, როდესაც ნაწილაკების თერმული მოძრაობა უკიდურესად უმნიშვნელო ხდება, ატომები ერთიანდებიან ერთ უფრო დიდ ერთეულში, რომელიც იქცევა როგორც ტალღა დიდ პაკეტში. ატომების ეს მდგომარეობა საშუალებას აძლევს მკვლევარებს, შეისწავლონ კვანტური სისტემები მაკროსკოპული მასშტაბით. პირველი ატომები ჩვენს წელთაღრიცხვამდე შეიქმნა 1995 წელს რუბიდიუმის ატომების აირში. მას შემდეგ ამ სფეროში მრავალი გაუმჯობესება მოხდა ტექნოლოგიაში. The მოლეკულური BEC ახლახან შეიქმნა NaCs მოლეკულები ულტრაცივ ტემპერატურაზე 5 ნანოკელვინი (nK).  

კვანტური მექანიკური კვლევისთვის კოსმოსში მიკროგრავიტაციის პირობები უკეთესია  

გრავიტაცია დედამიწაზე დაფუძნებულ ლაბორატორიებში მოითხოვს მაგნიტური ხაფანგის გამოყენებას ატომების შესანარჩუნებლად ეფექტური გაგრილებისთვის. გრავიტაცია ასევე ზღუდავს BEC-ებთან ურთიერთქმედების დროს ხმელეთის ლაბორატორიებში. კოსმოსური ლაბორატორიების მიკროგრავიტაციულ გარემოში BEC-ების ფორმირება ამ შეზღუდვებს გადალახავს. მიკროგრავიტაციულ გარემოს შეუძლია გაზარდოს ურთიერთქმედების დრო და შეამციროს დარღვევები გამოყენებული ველიდან, რითაც უკეთესად უჭერს მხარს კვანტურ მექანიკურ კვლევას. BCEs ახლა ჩვეულებრივ ყალიბდება კოსმოსში მიკროგრავიტაციის პირობებში.  

ცივი ატომის ლაბორატორია (CAL) საერთაშორისო კოსმოსურ სადგურზე (ISS) 

ცივი ატომის ლაბორატორია (CAL) არის მრავალ მომხმარებლის კვლევითი დაწესებულება, რომელიც დაფუძნებულია საერთაშორისო კოსმოსურ სადგურზე (ISS) კოსმოსის მიკროგრავიტაციულ გარემოში ულტრაცივი კვანტური გაზების შესასწავლად. CAL იმართება დისტანციურად საოპერაციო ცენტრიდან რეაქტიული მოძრაობის ლაბორატორიაში.  

ამ კოსმოსურ დაწესებულებაში შესაძლებელია დაკვირვების დრო 10 წამზე მეტი და ულტრაცივი ტემპერატურა 100 პიკოკელვინზე (1 pK= 10) ქვემოთ.^-12 კელვინი) კვანტური ფენომენების შესასწავლად.   

ცივი ატომის ლაბორატორია ამოქმედდა 21 წლის 2018 მაისს და დამონტაჟდა ISS-ზე 2018 წლის მაისის ბოლოს. Bose-Einstein Condensate (BEC) შეიქმნა ამ კოსმოსურ დაწესებულებაში 2018 წლის ივლისში. ეს იყო პირველი შემთხვევა; დედამიწის ორბიტაზე მატერიის მეხუთე მდგომარეობა შეიქმნა. მოგვიანებით, ობიექტი განახლდა ულტრაცივი ატომური ინტერფერომეტრების განლაგების შემდეგ.  

CAL-მა მიაღწია ბევრ ეტაპს ბოლო წლებში. რუბიდიუმ ბოზე-აინშტაინის კონდენსატები (BEC) კოსმოსში 2020 წელს წარმოიქმნა. ასევე დადასტურდა, რომ მიკროგრავიტაციული გარემო ხელსაყრელია ცივი ატომის ექსპერიმენტისთვის.  

გასულ წელს, 2023 წელს, მკვლევარებმა შექმნეს ორმაგი სახეობის BEC, რომელიც წარმოიქმნა ⁸⁷Rb და ⁴¹K და აჩვენა ერთდროული ატომური ინტერფერომეტრია ორ ატომურ სახეობასთან პირველად კოსმოსში ცივი ატომის ლაბორატორიაში. ეს მიღწევები მნიშვნელოვანი იყო სივრცეში თავისუფალი ვარდნის უნივერსალურობის (UFF) კვანტური ტესტებისთვის.  

ბოლო წინსვლა კოსმოსურ კვანტურ ტექნოლოგიებში 

13 წლის 2024 აგვისტოს გამოქვეყნებული მოხსენების თანახმად, მკვლევარები მუშაობდნენ ⁸⁷Rb ატომები CAL ატომის ინტერფერომეტრში და წარმატებით ჩაატარეს სამი გზამკვლევი ექსპერიმენტი. მათ შეეძლოთ ISS-ის ვიბრაციების გაზომვა სამპულსიანი Mach-Zehnder ინტერფერომეტრის გამოყენებით CAL-ის ბორტზე. ეს იყო პირველი შემთხვევა, როდესაც კვანტური სენსორი გამოიყენეს კოსმოსში, რათა აღმოეჩინა ცვლილებები უშუალო გარემოში. მეორე ექსპერიმენტი მოიცავდა რამსის ათვლის ტალღის ინტერფერომეტრიის გამოყენებას ჩარევის შაბლონების გამოსავლენად ერთ პერსპექტივაში. შაბლონები შეინიშნებოდა 150 ms-ზე მეტი თავისუფალი გაფართოების დროს. ეს იყო ატომების ტალღური ბუნების ყველაზე გრძელი დემონსტრირება სივრცეში თავისუფალ ვარდნაში. კვლევითმა ჯგუფმა ასევე გაზომა ბრაგის ლაზერული ფოტონის უკუცემა, როგორც პირველი კვანტური სენსორის დემონსტრირება სივრცეში ატომური ინტერფერომეტრიის გამოყენებით. 

კოსმოსში განლაგებული ულტრაცივი ატომის ინტერფერომეტრების მნიშვნელობა 

ატომური ინტერფერომეტრები იყენებენ ატომების კვანტურ ბუნებას და უკიდურესად მგრძნობიარეა აჩქარების ან ველების ცვლილებების მიმართ, ამიტომ გამოიყენება როგორც მაღალი სიზუსტის იარაღები. დედამიწაზე დაფუძნებული ატომური ინტერფერომეტრები გამოიყენება გრავიტაციის შესასწავლად და მოწინავე სანავიგაციო ტექნოლოგიებში.   

კოსმოსურ ატომურ ინტერფერომეტრებს აქვთ მდგრადი მიკროგრავიტაციული გარემოს უპირატესობა, რომელიც გთავაზობთ თავისუფალი ვარდნის პირობებს ველების გაცილებით ნაკლები გავლენით. ის ასევე ეხმარება ბოზე-აინშტაინის კონდენსატებს (BECs) მიაღწიონ უფრო ცივ ტემპერატურას პიკოკელვინის დიაპაზონში და იარსებონ უფრო ხანგრძლივობით. წმინდა ეფექტი არის გახანგრძლივებული დაკვირვების დრო, შესაბამისად უკეთესი შესაძლებლობა შესწავლისთვის. ეს ანიჭებს კოსმოსში განლაგებულ ულტრაცივ ატომის ინტერფერომეტრებს მაღალი სიზუსტის გაზომვის შესაძლებლობით და მათ სუპერ სენსორებად აქცევს.  

სივრცეში განლაგებულ ულტრაცივ ატომის ინტერფერომეტრებს შეუძლიათ აღმოაჩინონ გრავიტაციის ძალიან დახვეწილი ცვალებადობა, რაც მიუთითებს სიმკვრივის ცვალებადობაზე. ეს დაგეხმარებათ პლანეტარული სხეულების შემადგენლობისა და მასის ნებისმიერი ცვლილების შესწავლაში.  

გრავიტაციის მაღალი სიზუსტით გაზომვა ასევე დაგეხმარებათ ბნელი მატერიისა და ბნელი ენერგიის უკეთ გაგებაში და ფარდობითობის ზოგადი და სტანდარტული მოდელის მიღმა დახვეწილი ძალების შესწავლაში, რომლებიც აღწერს დაკვირვებად სამყაროს.  

ფარდობითობის ზოგადი და სტანდარტული მოდელი არის ორი თეორია, რომელიც აღწერს დაკვირვებად სამყაროს. ნაწილაკების ფიზიკის სტანდარტული მოდელი ძირითადად ველის კვანტური თეორიაა. იგი აღწერს სამყაროს მხოლოდ 5%-ს, დანარჩენი 95% არის ბნელ ფორმებში (ბნელი მატერია და ბნელი ენერგია), რომელიც ჩვენ არ გვესმის. სტანდარტულ მოდელს არ შეუძლია ახსნას ბნელი მატერია და ბნელი ენერგია. მას არ შეუძლია ახსნას მატერია-ანტიმატერიის ასიმეტრიაც. ანალოგიურად, გრავიტაცია ჯერ ვერ გაერთიანდა სხვა ველებთან. სამყაროს რეალობა სრულად არ არის ახსნილი დღევანდელი თეორიებითა და მოდელებით. გიგანტური ამაჩქარებლები და ობსერვატორიები ვერ ახერხებენ ნათელი მოჰფინონ ბუნების ამ საიდუმლოების დიდ ნაწილს. როგორც ყველაზე ზუსტი სენსორები, კოსმოსში დაფუძნებული ულტრაცივი ატომის ინტერფერომეტრები მკვლევარებს შესაძლებლობას აძლევს გამოიკვლიონ ეს კითხვები სამყაროს შესახებ ჩვენს გაგებაში არსებული ხარვეზის შესავსებად.  

*** 

წყაროები:  

1. Meystre, Pierre 1997. როცა ატომები ტალღებად იქცევიან. ხელმისაწვდომია https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf 

2. NASA. ცივი ატომის ლაბორატორია - სამყაროს მისიები. ხელმისაწვდომია https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/  

3. Aveline, DC და სხვ. ბოზე-აინშტაინის კონდენსატების დაკვირვება დედამიწის ორბიტაზე მოძრავ კვლევით ლაბორატორიაში. Nature 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1 

4. Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP და სხვ. კვანტური აირის ნარევები და ორმაგი სახეობის ატომური ინტერფერომეტრია სივრცეში. Nature 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w 

5. უილიამსი, JR, et al 2024. გზამკვლევის ექსპერიმენტები ატომური ინტერფერომეტრიით ცივი ატომის ლაბორატორიაში საერთაშორისო კოსმოსური სადგურის ბორტზე. Nat Commun 15, 6414. გამოქვეყნებულია: 13 წლის 2024 აგვისტო. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . წინასწარ დაბეჭდილი ვერსია https://arxiv.org/html/2402.14685v1  

6. NASA-მ კოსმოსში პირველად აჩვენა "ულტრა მაგარი" კვანტური სენსორი. გამოქვეყნებულია 13 წლის 2024 აგვისტოს. ხელმისაწვდომია საიტზე https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space 

***