Ang bagay ay may dalawahang katangian; lahat ng bagay ay umiiral kapwa bilang butil at alon. Sa isang temperatura na malapit sa absolute zero, ang wave nature ng mga atoms ay nagiging observable sa pamamagitan ng radiation sa visible range. Sa ganoong napakalamig na temperatura sa hanay ng nanoKelvin, ang mga atom ay nagsasama-sama sa isang solong mas malaking entity at lumipat sa ikalimang estado na tinatawag na Bose Eisenstein Condensate (BEC) na kumikilos bilang isang alon sa isang malaking packet. Tulad ng lahat ng mga alon, ang mga atomo sa estadong ito ay nagpapakita ng kababalaghan ng pagkagambala at ang mga pattern ng pagkagambala ng mga alon ng atom ay maaaring pag-aralan sa mga laboratoryo. Ang mga interferometer ng atom na naka-deploy sa microgravity na kapaligiran ng kalawakan ay kumikilos bilang isang napaka-tumpak na sensor at nagbibigay ng pagkakataong sukatin ang pinakamahina na mga acceleration. Ang maliit na refrigerator na may sukat na Cold Atom Laboratory (CAL) na umiikot sa Earth sakay ng International Space Station (ISS) ay isang pasilidad ng pananaliksik para sa pag-aaral ng mga ultra-cold quantum gas sa microgravity na kapaligiran ng kalawakan. Na-upgrade ito gamit ang Atom Interferometer ilang taon na ang nakalipas. Ayon sa ulat na inilathala noong Agosto 13, 2024), matagumpay na nagsagawa ang mga mananaliksik ng mga eksperimento sa pathfinder. Maaari nilang sukatin ang mga vibrations ng ISS gamit ang isang three-pulse Mach-Zehnder interferometer sa pasilidad ng CAL. Ito ang unang pagkakataon na gumamit ng quantum sensor sa kalawakan upang makita ang mga pagbabago sa agarang paligid. Kasama sa pangalawang eksperimento ang paggamit ng Ramsey shear-wave interferometry upang magpakita ng mga pattern ng interference sa isang solong pagtakbo. Ang mga pattern ay naobserbahan para sa higit sa 150 ms na libreng pagpapalawak ng oras. Ito ang pinakamahabang pagpapakita ng wave nature ng mga atom sa freefall sa kalawakan. Sinukat din ng pangkat ng pananaliksik ang Bragg laser photon recoil bilang isang pagpapakita ng unang quantum sensor gamit ang atom interferometry sa espasyo. Ang mga pag-unlad na ito ay makabuluhan. Bilang pinakatumpak na mga sensor, ang mga ultracold atom interferometer na nakabatay sa espasyo ay makakasukat ng napakahinang mga acceleration kaya nag-aalok ng mga pagkakataon para sa mga mananaliksik na tuklasin ang mga tanong (tulad ng dark matter at dark energy, matter-anti-matter asymmetry, unification of gravity sa iba pang mga field) na ang General Relativity at ang Standard Model ng particle physics ay hindi maaaring ipaliwanag at punan ang puwang sa ating pag-unawa sa uniberso.
Ang mga alon ay nagpapakita ng kababalaghan ng interference, ibig sabihin, dalawa o higit pang magkakaugnay na mga alon ay nagsasama upang magbunga ng isang resultang alon na maaaring magkaroon ng mas mataas o mas mababang amplitude depende sa mga yugto ng pinagsamang mga alon. Sa kaso ng liwanag, nakikita natin ang mga resultang alon sa anyo ng madilim at maliwanag na mga palawit.
Ang interferometry ay isang paraan ng pagsukat ng mga katangian gamit ang phenomenon ng interference. Ito ay nagsasangkot ng paghahati sa wave ng insidente sa dalawang beam na naglalakbay sa magkaibang landas pagkatapos ay pinagsama upang bumuo ng resultang interference pattern o fringes (sa kaso ng liwanag). Ang resultang interference pattern ay sensitibo sa mga pagbabago sa mga kondisyon ng travel path ng mga beam, halimbawa, anumang pagbabago sa haba ng travel path o sa anumang field na may kaugnayan sa wavelength ay nakakaimpluwensya sa interference pattern at maaaring gamitin para sa mga sukat.
de Broglie wave o matter wave
Ang bagay ay may dalawahang katangian; ito ay umiiral kapwa bilang butil at pati na rin alon. Ang bawat gumagalaw na particle o bagay ay may katangian ng alon na ibinigay ng de Broglie Equation
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
kung saan ang λ ay wavelength, h ay ang pare-pareho ng Planck, ang m ay masa, v ang bilis ng particle, p ay momentum, K ay Boltzmann constant, at T ay temperatura sa Kelvin.
Ang thermal de Broglie wavelength ay inversely proportional sa square root ng temperatura sa kelvin na nangangahulugang ang λ ay magiging mas malaki sa mas mababang temperatura.
Pag-aaral ng ultra cold atom waves
Para sa isang tipikal na atom, ang wavelength ng de Broglie sa temperatura ng silid ay nasa pagkakasunud-sunod ng angstrom (10-10 m) viz. 0.1 nanometer (1 nm=10-9 m). Ang isang radiation ng isang ibinigay na haba ng daluyong ay maaaring malutas ang mga detalye sa parehong hanay ng laki. Hindi mareresolba ng liwanag ang mga detalyeng mas maliit kaysa sa wavelength nito kaya ang isang tipikal na atom sa temperatura ng kwarto ay hindi mailarawan gamit ang nakikitang liwanag na may wavelength sa hanay na humigit-kumulang 400 nm hanggang 700 nm. Magagawa ng X-ray dahil sa wavelength ng angstrom range nito ngunit ang mataas na enerhiya nito ay sumisira sa mismong mga atomo na dapat itong obserbahan. Samakatuwid, ang solusyon ay nakasalalay sa pagbabawas ng temperatura ng atom (sa ibaba 10-6 kelvin) upang ang mga wavelength ng de Broglie ng mga atom ay tumaas at maging maihahambing sa mga wavelength ng nakikitang liwanag. Sa ultracold na temperatura, ang wave nature ng mga atom ay nagiging masusukat at may kaugnayan para sa interferometry.
Habang ang temperatura ng mga atom ay nababawasan pa sa hanay ng nanokelvin (10-9 kelvin) ay umaabot sa humigit-kumulang 400 nK, ang mga atomic boson ay lumipat sa ikalimang bagay ng estado na tinatawag na Bose-Einstein condensate (BCE). Sa ganoong napakababang temperatura na malapit sa absolute zero kapag ang mga thermal na paggalaw ng mga particle ay naging lubhang bale-wala, ang mga atom ay nagsasama-sama sa isang mas malaking entity na kumikilos bilang isang alon sa isang malaking pakete. Ang estado ng mga atomo na ito ay nagbibigay ng pagkakataon sa mga mananaliksik na pag-aralan ang mga quantum system sa isang macroscopic scale. Ang unang atomic BCE ay nilikha noong 1995 sa isang gas ng rubidium atoms. Simula noon, ang lugar na ito ay nakakita ng maraming mga pagpapabuti sa teknolohiya. Ang molekular BEC ng mga molekula ng NaC ay nilikha kamakailan sa isang ultracold na temperatura ng 5 nanoKelvin (nK).
Ang mga kondisyon ng microgravity sa espasyo ay mas mahusay para sa quantum mechanical research
Ang gravity sa earth-based na mga laboratoryo ay nangangailangan ng paggamit ng magnetic trap upang hawakan ang mga atomo sa lugar para sa isang epektibong paglamig. Nililimitahan din ng gravity ang oras ng pakikipag-ugnayan sa mga BEC sa mga terrestrial laboratories. Ang pagbuo ng mga BEC sa microgravity na kapaligiran ng mga laboratoryo na nakabatay sa espasyo ay nagtagumpay sa mga limitasyong ito. Maaaring pataasin ng kapaligiran ng microgravity ang oras ng pakikipag-ugnayan at mabawasan ang mga kaguluhan mula sa inilapat na larangan, sa gayon ay mas mahusay na sumusuporta sa quantum mechanical research. Ang mga BCE ay regular na nabubuo ngayon sa ilalim ng mga kondisyon ng microgravity sa kalawakan.
Cold Atom Laboratory (CAL) sa International Space Station (ISS)
Ang Cold Atom Laboratory (CAL) ay isang multi-user research facility na nakabase sa International Space Station (ISS) para sa pag-aaral ng ultra-cold quantum gases sa microgravity na kapaligiran ng kalawakan. Ang CAL ay pinapatakbo nang malayuan mula sa operation center sa Jet Propulsion Laboratory.
Sa space-based na pasilidad na ito, posibleng magkaroon ng mga oras ng pagmamasid sa loob ng 10 segundo at ang napakalamig na temperatura sa ibaba 100 picoKelvin (1 pK= 10-12 Kelvin) para sa pag-aaral ng quantum phenomena.
Ang Cold Atom Lab ay inilunsad noong 21 Mayo 2018 at na-install sa ISS noong huling bahagi ng Mayo 2018. Isang Bose-Einstein Condensate (BEC) ang nilikha sa space-based na pasilidad na ito noong Hulyo 2018. Ito ang unang pagkakataon; isang ikalimang estado ng bagay ang nilikha sa orbit ng Earth. Nang maglaon, ang pasilidad ay na-upgrade kasunod ng pag-deploy ng mga ultracold atom interferometer.
Nakamit ng CAL ang maraming milestone sa mga nakaraang taon. Ang Rubidium Bose–Einstein condensates (BECs) ay ginawa sa kalawakan noong 2020. Ipinakita rin na ang microgravity environment ay kapaki-pakinabang para sa cold-atom experiment.
Noong nakaraang taon, noong 2023, gumawa ang mga mananaliksik ng dual-species na BEC na nabuo mula sa 87Rb at 41K at nagpakita ng sabay-sabay na interferometry ng atom na may dalawang atomic species sa unang pagkakataon sa espasyo sa pasilidad ng Cold Atom Laboratory. Ang mga tagumpay na ito ay mahalaga para sa quantum tests ng universality of free fall (UFF) sa kalawakan.
Kamakailang pagsulong sa mga teknolohiyang quantum na nakabatay sa espasyo
Ayon sa ulat na inilathala noong 13 Agosto 2024), ang mga mananaliksik ay nagtatrabaho 87Rb atoms sa CAL atom interferometer at matagumpay na nagsagawa ng tatlong eksperimento sa paghahanap ng landas. Maaari nilang sukatin ang mga vibrations ng ISS gamit ang isang three-pulse Mach-Zehnder interferometer sa pasilidad ng CAL. Ito ang unang pagkakataon na gumamit ng quantum sensor sa kalawakan upang makita ang mga pagbabago sa agarang paligid. Kasama sa pangalawang eksperimento ang paggamit ng Ramsey shear-wave interferometry upang magpakita ng mga pattern ng interference sa isang solong pagtakbo. Ang mga pattern ay naobserbahan para sa higit sa 150 ms na libreng pagpapalawak ng oras. Ito ang pinakamahabang pagpapakita ng wave nature ng mga atom sa freefall sa kalawakan. Sinukat din ng pangkat ng pananaliksik ang Bragg laser photon recoil bilang isang pagpapakita ng unang quantum sensor gamit ang atom interferometry sa espasyo.
Kahalagahan ng mga ultracold atom interferometer na naka-deploy sa kalawakan
Ginagamit ng mga interferometer ng atom ang quantum nature ng mga atom at napakasensitibo sa mga pagbabago sa acceleration o mga field kaya't may mga aplikasyon bilang mga tool na may mataas na katumpakan. Ang mga interferometer ng atom na nakabase sa lupa ay ginagamit upang pag-aralan ang gravity at sa mga advanced na teknolohiya ng nabigasyon.
Ang mga interferometer ng atom na nakabatay sa espasyo ay may mga pakinabang ng patuloy na microgravity na kapaligiran na nag-aalok ng mga kondisyon ng libreng pagkahulog na may mas kaunting impluwensya ng mga field. Tinutulungan din nito ang Bose-Einstein condensates (BECs) na maabot ang mas malamig na temperatura sa hanay ng picoKelvin at umiral nang mas matagal. Ang netong epekto ay pinalawig na oras ng pagmamasid kaya mas magandang pagkakataon na mag-aral. Nagbibigay ito ng mga ultracold atom interferometer na naka-deploy sa kalawakan na may mga kakayahan sa pagsukat na may mataas na katumpakan at ginagawa itong mga super-sensor.
Ang mga ultracold atom interferometer na naka-deploy sa kalawakan ay maaaring makakita ng napaka banayad na mga pagkakaiba-iba sa gravity na nagpapahiwatig ng pagkakaiba-iba sa mga densidad. Makakatulong ito sa pag-aaral ng komposisyon ng mga planetary body at anumang pagbabago sa masa.
Ang mataas na katumpakan na pagsukat ng gravity ay maaari ding makatulong na mas maunawaan ang dark matter at dark energy at sa paggalugad ng mga banayad na puwersa na lampas sa General Relativity at sa Standard Model na naglalarawan sa nakikitang uniberso.
Ang General Relativity at ang Standard Model ay ang dalawang teoryang naglalarawan sa nakikitang uniberso. Ang karaniwang modelo ng particle physics ay karaniwang quantum field theory. Ito ay naglalarawan lamang ng 5% ng uniberso, ang natitirang 95% ay nasa madilim na anyo (dark matter at dark energy) na hindi natin naiintindihan. Hindi maipaliwanag ng Standard Model ang dark matter at dark energy. Hindi rin nito maipaliwanag ang matter-antimatter asymmetry. Katulad nito, ang gravity ay hindi pa maaaring mapag-isa sa iba pang mga field. Ang katotohanan ng uniberso ay hindi ganap na ipinaliwanag ng kasalukuyang mga teorya at modelo. Ang mga higanteng accelerator at obserbatoryo ay hindi makapagbigay liwanag sa karamihan ng mga misteryong ito ng kalikasan. Bilang mga pinakatumpak na sensor, nag-aalok ang space-based na ultracold atom interferometer ng mga pagkakataon para sa mga mananaliksik na tuklasin ang mga tanong na ito upang punan ang puwang sa ating pag-unawa sa uniberso.
***
Sanggunian:
- Meystre, Pierre 1997. Kapag ang mga atomo ay naging mga alon. Available sa https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Cold Atom Laboratory – Mga Misyon sa Uniberso. Available sa https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, et al. Pagmamasid ng Bose–Einstein condensates sa isang Earth-orbiting research lab. Kalikasan 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Quantum gas mixtures at dual-species atom interferometry sa kalawakan. Kalikasan 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Williams, JR, et al 2024. Nag-eksperimento ang Pathfinder gamit ang atom interferometry sa Cold Atom Lab na nakasakay sa International Space Station. Nat Commun 15, 6414. Na-publish: 13 August 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Preprint na bersyon https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- Nagpakita ang NASA ng 'Ultra-Cool' Quantum Sensor sa Unang pagkakataon sa Kalawakan. Nai-publish noong Agosto 13, 2024. Magagamit sa https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
