Физики из Германии, США и Франции впервые получили и исследовали бозе-конденсат холодных атомов рубидия-87 в невесомости. Для этого ученые использовали метеорологическую ракету MAIUS-1, которая поднялась на высоту более 240 километров и провела в свободном падении около шести минут. Статья опубликована в Nature.

Бозонами физики называют частицы, которые подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, то есть склонны собираться в одном квантовом состоянии. При больших температурах это свойство практически не проявляется, поскольку частицы могут находиться в большом числе квантовых состояний, однако при охлаждении газа бозонов до очень низкой температуры большинство частиц «сваливается» в состояние с самой низкой энергией, и их можно описывать единственной волновой функцией. Такое состояние называют конденсатом Бозе — Эйнштейна. Впервые оно было теоретически описано в 1924 году индийским физиком Шатьендранатом Бозе, а экспериментально получить бозе-конденсат удалось только семьдесят лет спустя, когда были изобретены оптические ловушки. Кроме того, бозе-конденсация обеспечивает сверхтекучесть гелия-4, открытую в 1938 году Петром Капицей. Более подробно про образование бозе-конденсатов можно прочитать в статье «Квантовые газы при низких температурах».

Как правило, для получения бозе-конденсата физики используют магнито-оптические ловушки, которые удерживают атомные газы, охлажденные с помощью лазеров до температур порядка нескольких нанокельвинов. Подробно про принцип работы такой ловушки можно прочитать в материале «Скальпель и пинцет», а про лазерное охлаждение можно послушать в рассказе физика Владимира Мележика. К сожалению, бозе-конденсаты очень легко разрушаются при воздействии внешних возмущений — например, колебаний температуры или гравитационного притяжения Земли. Поэтому максимальное число атомов в бозе-конденсате на практике оказывается сильно ограничено. Обычно ученые работают с конденсатами, которые содержат несколько десятков или сотен тысяч атомов [1, 2, 3], а в редких случаях число атомов в конденсате доходит до миллиарда. Предполагается, что при уменьшении этих воздействий ученые смогут создать более массивные конденсаты и более подробно исследовать их свойства.

Чип, на котором ученые создавали бозе-конденсат. MIAUS project team / J. Matthias

Группа ученых под руководством Эрнста Раселя (Ernst Rasel) впервые избавились от воздействия гравитации, получив бозе-конденсат холодных атомов рубидия-87 на борту метеорологической ракеты MAIUS-1, которая поднялась на высоту более 240 километров и провела в свободном падении около шести минут. Ускорение на борту ракеты, находящейся в режиме свободного падения, составляло примерно 10⁻⁶g, а скорость углового вращения ракеты была ограничена пятью радианами в секунду. Во время взлета и падения ракеты перегрузки достигали 17g. Для получения бозе-конденсата ученые направляли на оптическую ловушку радиоволновый импульс и заставляли испаряться тепловые атомы, энергия которых превышала энергию основного состояния. После этой процедуры число тепловых атомов уменьшалось, а число атомов в конденсате увеличивалось. В среднем на создание бозе-конденсата у ученых уходило около 1,6 секунд, причем число его атомов достигало ста тысяч, то есть было сопоставимо с наземными экспериментами. За время полета ракеты ученые успели поставить около 110 экспериментов, 80 из которых пришлось на шестиминутный период невесомости. В результате ученые выявили несколько особенностей, сопровождавших образование и эволюцию конденсата.

Метеорологическая ракета (a) несет полезную нагрузку (b), в том числе вакуумированную систему ©, в которой установлен чип с бозе-конденсатом (d). D. Becker et al. / Nature

Во-первых, физики сравнили образование бозе-конденсата в невесомости и при нормальной гравитации. Оказалось, что при одинаковой частоте радиоволнового импульса атомные облака, которые возникали в «космических» экспериментах, были примерно на 64 процента больше, чем в аналогичных наземных опытах. Авторы статьи объясняют увеличение тем, что в невесомости оптическая ловушка лучше удерживает атомы. С другой стороны, число атомов, которые попадали в конденсат, в космосе в среднем было ниже, чем на Земле. Ученые предполагают, что это связано с изменением магнитного поля с высотой, которое приводит к колебаниям тока в охлаждающих установках и выводит конденсат из равновесия. Так или иначе, физикам придется придумать, как бороться с этим недостатком в будущем.

Во-вторых, ученые изучили колебания конденсата, которые возникают, когда он высвобождается из оптической ловушки. Для этого исследователи выключали ловушку и наблюдали за конденсатом в течение 300 миллисекунд, просвечивая его рентгеновскими волнами и наблюдая за возникающей дифракционной картиной (Bragg scattering). В результате ученые обнаружили, что облако атомов начинало двигаться с постоянной скоростью порядка 10 миллиметров в секунду. Кроме того, за это время диаметр облака сконденсированных атомов успевал увеличиться примерно на один миллиметр. Оба этих результата хорошо совпали с теоретическими расчетами, использующими уравнение Гросса—Питаевского в режиме Томаса—Ферми.

Колебания центра бозе-конденсата в оптической ловушке. D. Becker et al. / Nature

Положение центра бозе-конденсата после выключения оптической ловушки. D. Becker et al. / Nature

Расширение бозе-конденсата после выключения оптической ловушки. D. Becker et al. / Nature

Авторы статьи отмечают, что в невесомости охладить атомы, перевести и удержать их в состоянии бозе-конденсата гораздо легче, чем на Земле. Возможно, в будущем ученым удастся получить в таких экспериментах конденсаты при температурах порядка 10⁻¹² или даже 10⁻¹⁵ кельвинов, тогда как сейчас стандартной является температура «всего» 10⁻⁹ кельвинов. Такие ультрахолодные газы удобно использовать для проверки фундаментальных законов природы или для создания сверхчувствительных атомных интерферометров, которые могут регистрировать гравитационные волны c точностью, превышающей точность современных лазерных интерферометров LIGO/Virgo.

В невесомости вещество может вести себя совсем не так, как на Земле, а потому ученые часто пытаются повторить хорошо известные эксперименты в космосе. Например, китайские физики запустили на околоземную орбиту холодные атомные часы и показали, что их относительная погрешность составляет примерно 10⁻¹³ (одна секунда за 160 тысяч лет). Этот показатель примерно в сто тысяч раз хуже, чем для наземных атомных часов, однако сравним с точностью часов, установленных на спутниках GPS; кроме того, после 15 месяцев полета характеристики часов остались на прежнем уровне, что позволяет использовать их для практических измерений. А в августе этого года российские исследователи впервые показали, как электрическое поле влияет на форму колебаний плотности пыли, взвешенной в плазме, используя установку Plasmakristall-4, которая установлена на борту МКС и работает в условиях микрогравитации (ускорение на борту МКС порядка 10⁻³g).

Автор: Дмитрий Трунин