Jirim mempunyai dua sifat; semuanya wujud sebagai zarah dan gelombang. Pada suhu yang hampir kepada sifar mutlak, sifat gelombang atom menjadi boleh diperhatikan oleh sinaran dalam julat yang boleh dilihat. Pada suhu ultrasejuk sedemikian dalam julat nanoKelvin, atom bergabung menjadi satu entiti yang lebih besar dan beralih kepada keadaan kelima yang dipanggil Bose Eisenstein Condensate (BEC) yang berkelakuan sebagai gelombang dalam paket besar. Seperti semua gelombang, atom dalam keadaan ini memaparkan fenomena gangguan dan corak gangguan gelombang atom boleh dikaji di makmal. Interferometer atom yang digunakan dalam persekitaran mikrograviti ruang bertindak sebagai penderia yang sangat tepat dan memberi peluang untuk mengukur pecutan yang paling lemah. Peti sejuk mini bersaiz Cold Atom Laboratory (CAL) yang mengorbit Bumi di atas Stesen Angkasa Antarabangsa (ISS) ialah kemudahan penyelidikan untuk kajian gas kuantum ultra-sejuk dalam persekitaran mikrograviti angkasa. Ia telah dinaik taraf dengan Interferometer Atom beberapa tahun yang lalu. Seperti laporan yang diterbitkan pada 13 Ogos 2024), penyelidik telah berjaya menjalankan eksperimen pencari laluan. Mereka boleh mengukur getaran ISS menggunakan interferometer Mach-Zehnder tiga nadi pada kemudahan CAL. Ini adalah kali pertama penderia kuantum digunakan di angkasa untuk mengesan perubahan dalam persekitaran terdekat. Percubaan kedua melibatkan penggunaan interferometri gelombang ricih Ramsey untuk menunjukkan corak gangguan dalam satu larian. Corak boleh diperhatikan selama lebih 150 ms masa pengembangan bebas. Ini adalah demonstrasi terpanjang tentang sifat gelombang atom dalam terjun bebas di angkasa. Pasukan penyelidik juga mengukur rekoil foton laser Bragg sebagai demonstrasi sensor kuantum pertama menggunakan interferometri atom di angkasa. Perkembangan ini adalah ketara. Sebagai penderia yang paling tepat, interferometer atom ultrasejuk berasaskan angkasa boleh mengukur pecutan yang sangat lemah justeru menawarkan peluang kepada penyelidik untuk meneroka soalan (seperti jirim gelap dan tenaga gelap, asimetri jirim anti jirim, penyatuan graviti dengan medan lain) bahawa Relativiti Am dan Model Standard fizik zarah tidak dapat menjelaskan dan mengisi jurang dalam pemahaman kita tentang alam semesta.
Gelombang memaparkan fenomena gangguan, iaitu, dua atau lebih gelombang koheren bergabung untuk menimbulkan gelombang terhasil yang mungkin mempunyai amplitud yang lebih tinggi atau lebih rendah bergantung kepada fasa gelombang gabungan. Dalam kes cahaya, kita melihat gelombang terhasil dalam bentuk pinggir gelap dan terang.
Interferometri ialah kaedah mengukur ciri menggunakan fenomena gangguan. Ia melibatkan pemisahan gelombang kejadian kepada dua rasuk yang mengembara laluan berbeza kemudian bergabung untuk membentuk corak gangguan terhasil atau pinggir (dalam kes cahaya). Corak gangguan yang terhasil adalah sensitif kepada perubahan dalam keadaan laluan perjalanan rasuk, contohnya, sebarang perubahan dalam panjang laluan perjalanan atau dalam mana-mana medan yang berkaitan dengan panjang gelombang mempengaruhi corak gangguan dan boleh digunakan untuk pengukuran.
gelombang de Broglie atau gelombang jirim
Jirim mempunyai dua sifat; ia wujud sebagai zarah dan juga gelombang. Setiap zarah atau objek yang bergerak mempunyai ciri gelombang yang diberikan oleh Persamaan de Broglie
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
di mana λ ialah panjang gelombang, h ialah pemalar Planck, m ialah jisim, v ialah halaju zarah, p ialah momentum, K ialah pemalar Boltzmann, dan T ialah suhu dalam Kelvin.
Panjang gelombang terma de Broglie adalah berkadar songsang dengan punca kuasa dua suhu dalam kelvin bermakna λ akan lebih besar pada suhu yang lebih rendah.
Kajian gelombang atom ultra sejuk
Untuk atom biasa, panjang gelombang de Broglie pada suhu bilik adalah mengikut urutan angstrom (10-10 m) iaitu. 0.1 nanometer (1 nm=10-9 m). Sinaran dengan panjang gelombang tertentu boleh menyelesaikan butiran dalam julat saiz yang sama. Cahaya tidak dapat menyelesaikan butiran yang lebih kecil daripada panjang gelombangnya justeru atom biasa pada suhu bilik tidak boleh diimej menggunakan cahaya nampak yang mempunyai panjang gelombang dalam julat kira-kira 400 nm hingga 700 nm. X-ray boleh melakukannya kerana jarak gelombang angstromnya tetapi tenaga yang tinggi memusnahkan atom yang sepatutnya diperhatikan. Oleh itu, penyelesaiannya terletak pada pengurangan suhu atom (ke bawah 10-6 kelvin) supaya panjang gelombang de Broglie atom bertambah dan menjadi setanding dengan panjang gelombang cahaya yang boleh dilihat. Pada suhu ultrasejuk, sifat gelombang atom menjadi boleh diukur dan relevan untuk interferometri.
Apabila suhu atom dikurangkan lagi dalam julat nanokelvin (10-9 kelvin) berjulat kepada kira-kira 400 nK, peralihan boson atom kepada jirim keadaan kelima yang dipanggil Bose-Einstein condensate (BCE). Pada suhu ultra-rendah hampir sifar mutlak apabila pergerakan haba zarah menjadi sangat diabaikan, atom bergabung menjadi satu entiti yang lebih besar yang berkelakuan sebagai gelombang dalam paket besar. Keadaan atom ini memberi peluang kepada penyelidik untuk mengkaji sistem kuantum pada skala makroskopik. BCE atom pertama dicipta pada tahun 1995 dalam gas atom rubidium. Sejak itu, kawasan ini telah menyaksikan banyak peningkatan dalam teknologi. The BEC molekul molekul NaC baru-baru ini dicipta pada suhu ultrasejuk 5 nanoKelvin (nK).
Keadaan mikrograviti di angkasa adalah lebih baik untuk penyelidikan mekanikal kuantum
Graviti di makmal berasaskan bumi memerlukan penggunaan perangkap magnet untuk menahan atom di tempatnya untuk penyejukan yang berkesan. Graviti juga mengehadkan masa interaksi dengan BEC di makmal terestrial. Pembentukan BEC dalam persekitaran mikrograviti makmal berasaskan ruang mengatasi batasan ini. Persekitaran mikrograviti boleh meningkatkan masa interaksi dan mengurangkan gangguan dari medan yang digunakan, dengan itu menyokong penyelidikan mekanikal kuantum yang lebih baik. BCE kini secara rutin terbentuk di bawah keadaan mikrograviti di angkasa.
Makmal Atom Sejuk (CAL) di Stesen Angkasa Antarabangsa (ISS)
Cold Atom Laboratory (CAL) ialah kemudahan penyelidikan berbilang pengguna yang berpangkalan di Stesen Angkasa Antarabangsa (ISS) untuk kajian gas kuantum ultra-sejuk dalam persekitaran mikrograviti angkasa. CAL dikendalikan dari jauh dari pusat operasi di Makmal Pendorong Jet.
Di kemudahan berasaskan ruang ini, adalah mungkin untuk mempunyai masa pemerhatian melebihi 10 saat dan suhu ultrasejuk di bawah 100 picoKelvin (1 pK= 10-12 Kelvin) untuk kajian fenomena kuantum.
Cold Atom Lab telah dilancarkan pada 21 Mei 2018 dan telah dipasang di ISS pada akhir Mei 2018. Bose-Einstein Condensate (BEC) telah dicipta di kemudahan berasaskan angkasa lepas ini pada Julai 2018. Ini adalah kali pertama; keadaan jirim kelima telah dicipta di orbit Bumi. Kemudian, kemudahan itu telah dinaik taraf berikutan penggunaan interferometer atom ultracold.
CAL telah mencapai banyak pencapaian dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Rubidium Bose–Einstein condensates (BECs) telah dihasilkan di angkasa pada tahun 2020. Ia juga ditunjukkan bahawa persekitaran mikrograviti berfaedah untuk eksperimen atom sejuk.
Tahun lepas, pada 2023, penyelidik menghasilkan BEC dwi-spesies yang terbentuk daripada 87Rb dan 41K dan menunjukkan interferometri atom serentak dengan dua spesies atom untuk pertama kali di angkasa di kemudahan Makmal Atom Sejuk. Pencapaian ini penting untuk ujian kuantum kesejagatan jatuh bebas (UFF) di angkasa.
Kemajuan terkini dalam teknologi kuantum berasaskan ruang
Seperti laporan yang diterbitkan pada 13 Ogos 2024), penyelidik bekerja 87Atom Rb dalam interferometer atom CAL dan berjaya menjalankan tiga eksperimen pencarian laluan. Mereka boleh mengukur getaran ISS menggunakan interferometer Mach-Zehnder tiga nadi pada kemudahan CAL. Ini adalah kali pertama penderia kuantum digunakan di angkasa untuk mengesan perubahan dalam persekitaran terdekat. Percubaan kedua melibatkan penggunaan interferometri gelombang ricih Ramsey untuk menunjukkan corak gangguan dalam satu larian. Corak boleh diperhatikan selama lebih 150 ms masa pengembangan bebas. Ini adalah demonstrasi terpanjang tentang sifat gelombang atom dalam terjun bebas di angkasa. Pasukan penyelidik juga mengukur pengunduran foton laser Bragg sebagai demonstrasi sensor kuantum pertama menggunakan interferometri atom di angkasa.
Kepentingan interferometer atom ultrasejuk dikerahkan ke angkasa
Interferometer atom memanfaatkan sifat kuantum atom dan sangat sensitif terhadap perubahan dalam pecutan atau medan oleh itu mempunyai aplikasi sebagai alat ketepatan tinggi. Interferometer atom berasaskan bumi digunakan untuk mengkaji graviti dan dalam teknologi navigasi termaju.
Interferometer atom berasaskan ruang mempunyai kelebihan persekitaran mikrograviti berterusan yang menawarkan keadaan jatuh bebas dengan pengaruh medan yang lebih sedikit. Ia juga membantu kondensat Bose-Einstein (BEC) mencapai suhu yang lebih sejuk dalam julat picoKelvin dan wujud untuk tempoh yang lebih lama. Kesan bersih adalah masa pemerhatian yang dilanjutkan dengan itu peluang yang lebih baik untuk belajar. Ini memberikan interferometer atom ultrasejuk yang digunakan ke angkasa lepas dengan keupayaan pengukuran ketepatan tinggi dan menjadikannya super-sensor.
Interferometer atom ultrasejuk yang digunakan di angkasa boleh mengesan variasi graviti yang sangat halus yang menunjukkan variasi dalam ketumpatan. Ini boleh membantu dalam kajian komposisi badan planet dan sebarang perubahan jisim.
Pengukuran ketepatan tinggi graviti juga boleh membantu lebih memahami jirim gelap dan tenaga gelap dan dalam penerokaan daya halus melangkaui Relativiti Am dan Model Standard yang menggambarkan alam semesta yang boleh diperhatikan.
Relativiti Am dan Model Standard adalah dua teori yang menerangkan alam semesta yang boleh diperhatikan. Model piawai fizik zarah pada asasnya adalah teori medan kuantum. Ia menerangkan hanya 5% alam semesta, selebihnya 95% dalam bentuk gelap (jirim gelap dan tenaga gelap) yang kita tidak faham. Model Standard tidak dapat menerangkan jirim gelap dan tenaga gelap. Ia tidak dapat menjelaskan asimetri jirim-antimateri juga. Begitu juga, graviti belum dapat disatukan dengan medan lain. Realiti alam semesta tidak dijelaskan sepenuhnya oleh teori dan model semasa. Pemecut dan balai cerap gergasi tidak dapat menjelaskan kebanyakan misteri alam semula jadi ini. Sebagai penderia yang paling tepat, interferometer atom ultracold berasaskan angkasa menawarkan peluang kepada penyelidik untuk meneroka soalan ini bagi mengisi jurang dalam pemahaman kita tentang alam semesta.
***
Rujukan:
- Meystre, Pierre 1997. Apabila atom menjadi gelombang. Boleh didapati di https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Makmal Atom Sejuk – Misi Alam Semesta. Boleh didapati di https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, et al. Pemerhatian kondensat Bose–Einstein dalam makmal penyelidikan mengorbit Bumi. Alam 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Campuran gas kuantum dan interferometri atom dwi-spesies di angkasa. Alam 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Williams, JR, et al 2024. Eksperimen Pathfinder dengan interferometri atom dalam Cold Atom Lab di atas Stesen Angkasa Antarabangsa. Nat Commun 15, 6414. Diterbitkan: 13 Ogos 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Versi pracetak https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- NASA Menunjukkan Penderia Kuantum 'Ultra-Cool' untuk Pertama Kali di Angkasa. Diterbitkan pada 13 Ogos 2024. Boleh didapati di https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
