Матери нь хоёрдмол шинж чанартай; бүх зүйл бөөмс, долгион хэлбэрээр байдаг. Үнэмлэхүй тэгтэй ойролцоо температурт атомын долгионы шинж чанар нь харагдахуйц мужид цацрагаар ажиглагдах болно. НаноКелвины хязгаарт ийм хэт хүйтэн температурт атомууд нэг том биетэд нэгдэж, том пакет дахь долгион шиг ажилладаг Bose Eisenstein Condensate (BEC) хэмээх тав дахь төлөвт шилждэг. Бүх долгионы нэгэн адил энэ төлөвт байгаа атомууд нь интерференцийн үзэгдлийг харуулдаг бөгөөд атомын долгионы интерференцийн загварыг лабораторид судалж болно. Сансар огторгуйн бичил таталцлын орчинд байрлуулсан атом интерферометрүүд нь маш нарийн мэдрэгч болж, хамгийн сул хурдатгалыг хэмжих боломжийг олгодог. Олон улсын сансрын станц (ОУСС) дээр дэлхийг тойрон эргэдэг хүйтэн атомын лаборатори (CAL) хэмжээтэй жижиг хөргөгч нь сансрын бичил таталцлын орчинд хэт хүйтэн квант хийг судлах судалгааны байгууламж юм. Энэ нь хэдэн жилийн өмнө атомын интерферометрээр шинэчлэгдсэн. 13 оны 2024-р сарын 150-нд нийтлэгдсэн тайлангийн дагуу судлаачид зам хайгч туршилтыг амжилттай хийжээ. Тэд CAL төхөөрөмж дээрх гурван импульсийн Мах-Зехдер интерферометр ашиглан ОУСС-ын чичиргээг хэмжиж болно. Энэ нь анх удаа квант мэдрэгчийг сансарт ашигласан бөгөөд ойр орчмын өөрчлөлтийг илрүүлэх явдал байв. Хоёрдахь туршилт нь интерференцийн хэв маягийг нэг гүйлтээр харуулахын тулд Ramsey зүсэлтийн долгионы интерферометрийг ашигласан. Загваруудыг XNUMX мс-ээс дээш чөлөөт өргөтгөлийн хугацаанд ажиглаж болно. Энэ нь сансар огторгуйд чөлөөтэй уналтанд орсон атомуудын долгионы шинж чанарыг харуулсан хамгийн урт үзүүлбэр байв. Судалгааны баг мөн сансарт атомын интерферометрийг ашиглан анхны квант мэдрэгчийн үзүүлбэр болгон Bragg лазерын фотоны эргүүлэлтийг хэмжсэн. Эдгээр хөгжил нь чухал ач холбогдолтой юм. Хамгийн нарийн мэдрэгчийн хувьд сансарт суурилсан хэт хүйтэн атомын интерферометр нь маш сул хурдатгалыг хэмжиж чаддаг тул судлаачдад асуултуудыг судлах боломжийг олгодог (хар бодис ба харанхуй энерги, материйн эсрэг бодисын тэгш бус байдал, таталцлыг бусад талбаруудтай нэгтгэх гэх мэт) Харьцангуйн ерөнхий онол ба бөөмийн физикийн стандарт загвар нь орчлон ертөнцийн талаарх бидний ойлголтын цоорхойг тайлбарлаж, нөхөж чадахгүй.
Долгион нь интерференцийн үзэгдлийг харуулдаг, өөрөөр хэлбэл, хоёр ба түүнээс дээш когерент долгион нийлж, нэгдэх долгионы үе шатуудаас хамааран илүү их эсвэл бага далайцтай байж болох үр дүнгийн долгионыг үүсгэдэг. Гэрлийн хувьд бид харанхуй, цайвар ирмэг хэлбэрээр үүссэн долгионыг хардаг.
Интерферометр нь интерференцийн үзэгдлийг ашиглан шинж чанарыг хэмжих арга юм. Энэ нь туссан долгионыг өөр өөр замаар дамждаг хоёр цацраг болгон хувааж, улмаар үр дүнд нь хөндлөнгийн загвар эсвэл ирмэгийг (гэрлийн хувьд) үүсгэхийг хэлнэ. Үүссэн хөндлөнгийн загвар нь цацрагийн хөдөлгөөний нөхцөлийн өөрчлөлтөд мэдрэмтгий байдаг, жишээлбэл, аяллын замын урт эсвэл долгионы урттай холбоотой аливаа талбар дахь аливаа өөрчлөлт нь хөндлөнгийн загварт нөлөөлж, хэмжилт хийхэд ашиглаж болно.
де Бройль буюу материйн долгион
Матери нь хоёрдмол шинж чанартай; энэ нь бөөмс, долгион хэлбэрээр хоёулаа байдаг. Хөдөлгөөнт бөөмс эсвэл объект бүр де Бройль тэгшитгэлээр өгөгдсөн долгионы шинж чанартай байдаг
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
Энд λ нь долгионы урт, h нь Планкийн тогтмол, m нь масс, v нь бөөмийн хурд, p нь импульс, K нь Больцманы тогтмол, T нь Кельвин дэх температур юм.
Температурын де Бройлийн долгионы урт нь Келвиний температурын квадрат язгууртай урвуу хамааралтай бөгөөд бага температурт λ их байх болно.
Хэт хүйтэн атомын долгионы судалгаа
Ердийн атомын хувьд өрөөний температур дахь де Бройлийн долгионы урт нь ангстромын дарааллаар (10) байна.-10 м) өөрөөр хэлбэл. 0.1 нанометр (1 нм=10-9 м). Өгөгдсөн долгионы урттай цацраг нь ижил хэмжээний муж дахь нарийн ширийн зүйлийг шийдэж чадна. Гэрэл нь долгионы уртаас бага нарийн ширийн зүйлийг шийдэж чадахгүй тул өрөөний температурт ердийн атомыг 400 нм-ээс 700 нм хүртэлх долгионы урттай үзэгдэх гэрлээр дүрслэх боломжгүй юм. Рентген туяа нь ангстромын долгионы урттай тул үүнийг хийх боломжтой боловч түүний өндөр энерги нь ажиглах ёстой атомуудыг устгадаг. Тиймээс шийдэл нь атомын температурыг (10-аас доош) бууруулахад оршино-6 Келвин) тэгснээр атомуудын де Бройлийн долгионы урт нэмэгдэж, харагдах гэрлийн долгионы урттай харьцуулах боломжтой болно. Хэт хүйтэн температурт атомуудын долгионы шинж чанар нь хэмжигдэхүйц болж, интерферометрийн хувьд хамааралтай болдог.
Атомуудын температур нанокельвины мужид (10-9 Келвин) нь ойролцоогоор 400 нК хүртэл хэлбэлздэг бөгөөд атомын бозонууд Бозе-Эйнштейний конденсат (МЭӨ) хэмээх тав дахь төлөвт шилждэг. Үнэмлэхүй тэгтэй ойролцоо ийм хэт бага температурт бөөмсийн дулааны хөдөлгөөн маш үл тоомсорлох үед атомууд нэгдэж, том багц дахь долгион шиг ажилладаг нэг том биет болдог. Атомын энэ төлөв нь судлаачдад квант системийг макроскопийн хэмжээнд судлах боломжийг олгодог. МЭӨ анхны атомыг 1995 онд рубиди атомын хий хэлбэрээр бүтээжээ. Түүнээс хойш энэ бүс нутагт технологийн дэвшил олон гарсан. The молекул BEC NaCs молекулыг саяхан 5 наноКелвин (nK)-ийн хэт хүйтэн температурт бий болгосон.
Сансар дахь бичил таталцлын нөхцөл нь квант механик судалгаанд илүү тохиромжтой
Газар дээр суурилсан лаборатори дахь таталцлын хүчин чадал нь атомыг үр дүнтэй хөргөхийн тулд соронзон урхи ашиглахыг шаарддаг. Таталцал нь мөн хуурай газрын лабораторид BEC-тэй харилцах хугацааг хязгаарладаг. Сансарт суурилсан лабораторийн бичил таталцлын орчинд BEC үүсэх нь эдгээр хязгаарлалтыг даван туулж байна. Бичил таталцлын орчин нь харилцан үйлчлэлийн хугацааг нэмэгдүүлж, хэрэглээний талбараас үүсэх эвдрэлийг бууруулж, улмаар квант механик судалгааг илүү сайн дэмждэг. МЭӨ нь одоо сансарт бичил таталцлын нөхцөлд тогтмол үүсдэг.
Олон улсын сансрын станц (ОУСС) дахь Хүйтэн атомын лаборатори (CAL)
Хүйтэн атомын лаборатори (CAL) нь сансрын бичил таталцлын орчинд хэт хүйтэн квант хийг судлах зорилготой Олон улсын сансрын станцад (ОУСС) суурилсан олон хэрэглэгчийн судалгааны байгууламж юм. CAL нь тийрэлтэт хөдөлгүүрийн лабораторийн үйл ажиллагааны төвөөс алсаас удирддаг.
Энэхүү сансарт суурилсан байгууламжид ажиглалтын хугацааг 10 секундээс дээш, хэт хүйтэн температурыг 100 пикоКелвин (1 pK= 10) -аас доош байлгах боломжтой.-12 Келвин) квант үзэгдлийн судалгаанд зориулагдсан.
Хүйтэн атомын лабораторийг 21 оны 2018-р сарын 2018-нд эхлүүлсэн бөгөөд 2018 оны XNUMX-р сарын сүүлээр ОУСС-д суурилуулсан. XNUMX оны XNUMX-р сард энэхүү сансарт суурилсан байгууламжид Bose-Einstein Condensate (BEC) бий болсон. Энэ нь анх удаа; Дэлхийн тойрог замд материйн тав дахь төлөв үүссэн. Хожим нь хэт хүйтэн атомын интерферометрийг суурилуулсны дараа уг байгууламжийг шинэчилсэн.
CAL сүүлийн жилүүдэд олон амжилтад хүрсэн. Rubidium Bose-Einstein конденсат (BECs) нь 2020 онд сансарт үйлдвэрлэгдсэн. Мөн бичил таталцлын орчин нь хүйтэн атомын туршилт хийхэд ашигтай болохыг харуулсан.
Өнгөрсөн жил, 2023 онд судлаачид хоёр төрлийн BEC-ийг гаргаж авсан 87Rb ба 41K болон Хүйтэн атомын лабораторийн байгууламжид сансарт анх удаа хоёр атомын төрөл зүйлтэй нэгэн зэрэг атом интерферометрийг үзүүлэв. Эдгээр ололт нь сансар огторгуй дахь чөлөөт уналтын (UFF) түгээмэл байдлын квант туршилтуудад чухал ач холбогдолтой байв.
Сансарт суурилсан квант технологийн сүүлийн үеийн дэвшил
13 оны 2024-р сарын XNUMX-нд нийтлэгдсэн тайлангийн дагуу судлаачид ажиллаж байна 87CAL атомын интерферометр дэх Rb атомууд ба гурван зам илрүүлэх туршилтыг амжилттай хийсэн. Тэд CAL төхөөрөмж дээрх гурван импульсийн Мах-Зехдер интерферометр ашиглан ОУСС-ын чичиргээг хэмжиж болно. Энэ нь анх удаа квант мэдрэгчийг сансарт ашигласан бөгөөд ойр орчмын өөрчлөлтийг илрүүлэх явдал байв. Хоёрдахь туршилт нь интерференцийн хэв маягийг нэг гүйлтээр харуулахын тулд Рэмси зүсэлтийн долгионы интерферометрийг ашигласан. Загваруудыг 150 мс-ээс дээш чөлөөт өргөтгөлийн хугацаанд ажиглаж болно. Энэ нь сансар огторгуйд чөлөөтэй уналтанд орсон атомуудын долгионы шинж чанарыг харуулсан хамгийн урт үзүүлбэр байв. Судалгааны баг мөн сансарт атомын интерферометрийг ашиглан анхны квант мэдрэгчийн үзүүлбэр болгон Bragg лазерын фотоны эргүүлэлтийг хэмжсэн.
Сансарт байрлуулсан хэт хүйтэн атомын интерферометрийн ач холбогдол
Атом интерферометр нь атомын квант шинж чанарыг ашигладаг бөгөөд хурдатгал эсвэл талбайн өөрчлөлтөд маш мэдрэмтгий байдаг тул өндөр нарийвчлалтай хэрэгсэл болгон ашигладаг. Дэлхий дээр суурилсан атомын интерферометрийг таталцлыг судлах, навигацийн дэвшилтэт технологид ашигладаг.
Сансарт суурилсан атомын интерферометрүүд нь талбайн нөлөө багатай чөлөөт уналтын нөхцлийг бүрдүүлдэг байнгын бичил таталцлын орчны давуу талтай. Энэ нь бас Bose-Einstein конденсат (BECs) нь пикоКелвины мужид илүү хүйтэн температурт хүрч, удаан хугацаагаар оршин тогтноход тусалдаг. Цэвэр нөлөө нь ажиглалтын хугацааг уртасгасан тул судлах илүү сайн боломж юм. Энэ нь сансарт байрлуулсан хэт хүйтэн атомын интерферометрийг өндөр нарийвчлалтай хэмжих чадвартай болгож, супер мэдрэгчтэй болгодог.
Сансарт байрлуулсан хэт хүйтэн атомын интерферометр нь таталцлын маш нарийн өөрчлөлтийг илрүүлж чаддаг бөгөөд энэ нь нягтралын өөрчлөлтийг илтгэдэг. Энэ нь гаригийн биетүүдийн бүтэц, массын өөрчлөлтийг судлахад тусална.
Таталцлын өндөр нарийвчлалтай хэмжилт нь хар матери, харанхуй энергийг илүү сайн ойлгох, ерөнхий харьцангуйн онол болон ажиглагдаж болох орчлон ертөнцийг дүрсэлсэн Стандарт загвараас гадуурх нарийн хүчийг судлахад тусалдаг.
Харьцангуй ерөнхий онол ба Стандарт загвар нь ажиглагдаж болох ертөнцийг дүрсэлсэн хоёр онол юм. Бөөмийн физикийн стандарт загвар нь үндсэндээ квант талбайн онол юм. Энэ нь орчлон ертөнцийн ердөө 5%-ийг дүрсэлдэг бол үлдсэн 95% нь бидний ойлгодоггүй харанхуй хэлбэрт (хар бодис ба харанхуй энерги) байдаг. Стандарт загвар нь харанхуй бодис болон харанхуй энергийг тайлбарлаж чадахгүй. Энэ нь материйн эсрэг бодисын тэгш бус байдлыг тайлбарлаж чадахгүй. Үүний нэгэн адил таталцлыг бусад талбаруудтай нэгтгэж чадаагүй байна. Орчлон ертөнцийн бодит байдлыг өнөөгийн онол, загвараар бүрэн тайлбарлаагүй байна. Аварга хурдасгуур болон ажиглалтын төвүүд байгалийн эдгээр нууцуудын ихэнхийг гэрэлтүүлж чадахгүй. Хамгийн нарийн мэдрэгчийн хувьд сансарт суурилсан хэт хүйтэн атомын интерферометрүүд нь орчлон ертөнцийн талаарх бидний ойлголтын цоорхойг нөхөхийн тулд эдгээр асуултыг судлах боломжийг судлаачдад олгодог.
***
Ашигласан материал:
- Meystre, Pierre 1997. Атомууд долгион болох үед. хаягаар авах боломжтой https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- НАСА. Хүйтэн атомын лаборатори - Орчлон ертөнцийн даалгавар. хаягаар авах боломжтой https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, et al. Дэлхийг тойрох судалгааны лабораторид Бозе-Эйнштейний конденсатыг ажиглах. Байгаль 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Сансар дахь квант хийн хольц ба хос төрлийн атомын интерферометр. Байгаль 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Уильямс, JR, Et al 2024. Олон улсын сансрын станцын Хүйтэн атомын лабораторид атомын интерферометрийн Pathfinder туршилт. Nat Commun 15, 6414. Нийтэлсэн: 13 оны 2024-р сарын XNUMX. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Урьдчилан хэвлэх хувилбар https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- НАСА сансарт анх удаа "хэт сэрүүн" квант мэдрэгчийг үзүүлжээ. 13 оны 2024-р сарын XNUMX-нд нийтлэгдсэн https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
