Ngano nga ang Mini-fridge-sized nga "Cold Atom Lab (CAL)" nga nag-orbit sa Yuta sakay sa ISS Importante alang sa Science  

Ang butang adunay duha ka kinaiya; ang tanan anaa sama sa particle ug wave. Sa temperatura nga duol sa hingpit nga sero, ang kinaiya sa balud sa mga atomo mahimong makita sa radiation sa makita nga range. Sa maong ultracold nga temperatura sa nanoKelvin range, ang mga atomo nagkahiusa ngadto sa usa ka mas dako nga entidad ug transisyon ngadto sa ikalimang estado nga gitawag ug Bose Eisenstein Condensate (BEC) nga naglihok isip usa ka balud sa usa ka dako nga pakete. Sama sa tanan nga mga balud, ang mga atomo sa kini nga estado nagpakita sa panghitabo sa interference ug ang mga pattern sa interference sa mga atom wave mahimong matun-an sa mga laboratoryo. Ang mga interferometer sa atom nga gipakatap sa microgravity nga palibot sa kawanangan naglihok isip usa ka tukma nga sensor ug naghatag higayon sa pagsukod sa labing huyang nga pagpatulin. Ang mini nga refrigerator nga gidak-on sa Cold Atom Laboratory (CAL) nga nag-orbit sa Yuta sakay sa International Space Station (ISS) usa ka pasilidad sa panukiduki alang sa pagtuon sa mga ultra-cold quantum gases sa microgravity environment sa kawanangan. Gi-upgrade kini sa Atom Interferometer pipila ka tuig ang milabay. Sumala sa taho nga gipatik kaniadtong 13 Agosto 2024), ang mga tigdukiduki malampuson nga nagpahigayon mga eksperimento sa pathfinder. Mahimo nilang sukdon ang mga vibrations sa ISS gamit ang three-pulse Mach-Zehnder interferometer sa pasilidad sa CAL. Kini ang unang higayon nga gigamit ang quantum sensor sa kawanangan aron makit-an ang mga pagbag-o sa diha-diha nga palibot. Ang ikaduhang eksperimento naglakip sa paggamit sa Ramsey shear-wave interferometry aron ipakita ang interference patterns sa usa ka run. Ang mga pattern makita sa sobra sa 150 ms nga libre nga pagpalapad nga oras. Kini ang pinakataas nga pagpakita sa kinaiya sa balud sa mga atomo sa freefall sa kawanangan. Gisukod usab sa research team ang Bragg laser photon recoil isip demonstrasyon sa unang quantum sensor gamit ang atom interferometry sa kawanangan. Kini nga mga kalamboan mahinungdanon. Ingon nga labing tukma nga mga sensor, ang mga interferometer sa ultracold atom nga nakabase sa wanang makasukod sa labi ka huyang nga pagpatulin busa nagtanyag mga oportunidad alang sa mga tigdukiduki sa pagsuhid sa mga pangutana (sama sa mangitngit nga butang ug ngitngit nga kusog, butang-anti-matter asymmetry, panaghiusa sa grabidad sa ubang mga natad) nga ang General Relativity ug ang Standard Model sa particle physics dili makapatin-aw ug makapuno sa kal-ang sa atong pagsabot sa uniberso. 

Ang mga balud nagpakita sa panghitabo sa interference, ie, duha o labaw pa nga magkadugtong nga mga balud nga naghiusa aron motungha ang usa ka resulta nga balud nga mahimong adunay mas taas o mubu nga amplitude depende sa mga hugna sa naghiusa nga mga balud. Sa kaso sa kahayag, atong makita ang resulta nga mga balud sa porma sa ngitngit ug kahayag fringes.  

Ang interferometry usa ka pamaagi sa pagsukod sa mga kinaiya gamit ang panghitabo sa interference. Naglakip kini sa pagbahin sa balud sa insidente ngadto sa duha ka mga sagbayan nga mobiyahe sa lain-laing mga agianan dayon maghiusa aron mahimong resulta nga interference pattern o fringes (sa kaso sa kahayag). Ang resulta nga interference pattern sensitibo sa mga pagbag-o sa mga kondisyon sa mga agianan sa pagbiyahe sa mga sagbayan, pananglitan, bisan unsang pagbag-o sa gitas-on sa agianan sa pagbiyahe o sa bisan unsang natad nga may kalabotan sa wavelength nakaimpluwensya sa interference pattern ug mahimong magamit alang sa mga pagsukod.   

de Broglie wave o matter wave  

Ang butang adunay duha ka kinaiya; anaa kini sa partikulo ingon man sa balud. Ang matag nagalihok nga partikulo o butang adunay kinaiya sa balod nga gihatag sa de Broglie Equation  

λ = h/mv = h/p = h/√3mKT   

diin ang λ mao ang wavelength, ang h mao ang kanunay nga Planck, ang m mao ang masa, ang v mao ang velocity sa partikulo, ang p mao ang momentum, ang K mao ang Boltzmann constant, ug ang T mao ang temperatura sa Kelvin. 

Ang thermal de Broglie wavelength kay inversely proporsyonal sa square root sa temperatura sa kelvin nga nagpasabot nga λ mas dako sa ubos nga temperatura.  

Pagtuon sa ultra bugnaw nga mga balod sa atomo 

Alang sa usa ka tipikal nga atomo, ang wavelength sa de Broglie sa temperatura sa lawak naa sa han-ay sa angstrom (10^-10 m) sama sa. 0.1 nanometer (1 nm=10^-9 m). Ang radiation sa gihatag nga wavelength makasulbad sa mga detalye sa parehas nga gidak-on. Ang kahayag dili makasulbad sa mga detalye nga mas gamay kay sa wavelength niini busa ang usa ka tipikal nga atomo sa temperatura sa lawak dili mahulagway gamit ang makita nga kahayag nga adunay wavelength sa range nga mga 400 nm ngadto sa 700 nm. Mahimo ang X-ray tungod sa angstrom range nga wavelength niini apan ang taas nga enerhiya niini makaguba sa mga atomo nga kinahanglan nga obserbahan niini. Busa, ang solusyon anaa sa pagkunhod sa temperatura sa atomo (sa ubos sa 10^-6 kelvin) aron ang mga wavelength sa de Broglie sa mga atomo modaghan ug mahimong ikatandi sa mga wavelength sa makita nga kahayag. Sa ultracold nga temperatura, ang wave nature sa mga atomo mahimong masukod ug may kalabutan sa interferometry.  

Ingon nga ang temperatura sa mga atomo gipakunhod pa sa nanokelvin range (10^-9 kelvin) moabot ngadto sa mga 400 nK, ang atomic boson transisyon ngadto sa ikalimang estado nga butang nga gitawag ug Bose-Einstein condensate (BCE). Sa ingon nga labing ubos nga temperatura nga hapit sa hingpit nga zero kung ang mga thermal nga paglihok sa mga partikulo mahimong labi ka mapabayaw, ang mga atomo maghiusa sa usa ka mas dako nga entidad nga molihok ingon usa ka balud sa usa ka dako nga pakete. Kini nga kahimtang sa mga atomo naghatag higayon sa mga tigdukiduki sa pagtuon sa quantum system sa usa ka macroscopic scale. Ang unang atomic BCE gimugna niadtong 1995 sa gas sa rubidium atoms. Sukad niadto, kini nga lugar nakakita sa daghang mga pag-uswag sa teknolohiya. Ang molekular nga BEC sa NaCs molekula bag-o lang gibuhat sa usa ka ultracold temperatura sa 5 nanoKelvin (nK).  

Ang mga kondisyon sa microgravity sa kawanangan mas maayo alang sa quantum mechanical research  

Ang grabidad sa mga laboratoryo nga nakabase sa yuta nanginahanglan paggamit sa magnetic trap aron mapadayon ang mga atomo sa lugar alang sa usa ka epektibo nga pagpabugnaw. Gilimitahan usab sa grabidad ang oras sa interaksyon sa mga BEC sa mga terrestrial laboratories. Ang pagporma sa mga BEC sa microgravity nga palibot sa mga laboratoryo nga nakabase sa kawanangan nakabuntog niini nga mga limitasyon. Ang microgravity nga palibot makadugang sa oras sa interaksyon ug makapakunhod sa mga kasamok gikan sa gipadapat nga natad, sa ingon mas maayo nga pagsuporta sa quantum mechanical research. Ang mga BCE karon kanunay nga naporma ubos sa mga kondisyon sa microgravity sa kawanangan.  

Cold Atom Laboratory (CAL) sa International Space Station (ISS) 

Ang Cold Atom Laboratory (CAL) kay multi-user research facility nga nakabase sa International Space Station (ISS) para sa pagtuon sa ultra-cold quantum gases sa microgravity environment sa kawanangan. Ang CAL gi-operate sa layo gikan sa operation center sa Jet Propulsion Laboratory.  

Niini nga pasilidad nga nakabase sa kawanangan, posible nga adunay mga oras sa obserbasyon sa 10 segundos ug ang ultracold nga temperatura ubos sa 100 picoKelvin (1 pK= 10^-12 Kelvin) alang sa pagtuon sa quantum phenomena.   

Ang Cold Atom Lab gilunsad niadtong 21 Mayo 2018 ug gi-install sa ISS sa ulahing bahin sa Mayo 2018. Usa ka Bose-Einstein Condensate (BEC) ang gimugna niining space-based nga pasilidad niadtong Hulyo 2018. Kini ang unang higayon; usa ka ikalimang kahimtang sa butang ang gibuhat sa orbit sa Yuta. Sa ulahi, ang pasilidad gi-upgrade pagkahuman sa pag-deploy sa mga ultracold atom interferometer.  

Nakab-ot sa CAL ang daghang mga milestone sa bag-ohay nga mga tuig. Ang Rubidium Bose–Einstein condensates (BECs) gihimo sa kawanangan niadtong 2020. Gipakita usab nga ang microgravity environment mapuslanon alang sa cold-atom experiment.  

Sa miaging tuig, sa 2023, ang mga tigdukiduki nakagama ug duha ka espisye nga BEC nga naporma gikan sa ⁸⁷Rb ug ⁴¹K ug nagpakita sa simultaneous atom interferometry nga adunay duha ka atomic species sa unang higayon sa kawanangan sa Cold Atom Laboratory facility. Importante kini nga mga kalampusan alang sa quantum tests sa universality of free fall (UFF) sa kawanangan.  

Bag-o nga pag-uswag sa mga teknolohiya sa quantum nga nakabase sa kawanangan 

Sumala sa taho nga gipatik kaniadtong 13 Agosto 2024), ang mga tigdukiduki nagtrabaho ⁸⁷Rb atoms sa CAL atom interferometer ug malampuson nga gipahigayon sa tulo ka mga pathfinding eksperimento. Mahimo nilang sukdon ang mga vibrations sa ISS gamit ang three-pulse Mach-Zehnder interferometer sa pasilidad sa CAL. Kini ang una nga higayon nga gigamit ang quantum sensor sa kawanangan aron mahibal-an ang mga pagbag-o sa diha-diha nga palibot. Ang ikaduhang eksperimento naglakip sa paggamit sa Ramsey shear-wave interferometry aron ipakita ang interference patterns sa usa ka run. Ang mga sumbanan makita sa sobra sa 150 ms nga libre nga pagpalapad nga oras. Kini ang pinakataas nga pagpakita sa kinaiya sa balud sa mga atomo sa freefall sa kawanangan. Gisukod usab sa research team ang Bragg laser photon recoil isip demonstrasyon sa unang quantum sensor gamit ang atom interferometry sa kawanangan. 

Kahinungdanon sa mga ultracold atom interferometer nga gipakatap sa kawanangan 

Ang mga interferometer sa atomo naggamit sa quantum nga kinaiya sa mga atomo ug hilabihan ka sensitibo sa mga pagbag-o sa pagpatulin o mga natad busa adunay mga aplikasyon isip mga himan nga taas ang katukma. Ang mga interferometer sa atom nga nakabase sa yuta gigamit sa pagtuon sa grabidad ug sa mga advanced nga teknolohiya sa nabigasyon.   

Ang mga interferometer sa atomo nga nakabase sa wanang adunay mga bentaha sa padayon nga microgravity nga palibot nga nagtanyag libre nga mga kondisyon sa pagkahulog nga adunay gamay nga impluwensya sa mga uma. Nakatabang usab kini sa Bose-Einstein condensates (BECs) nga makaabot sa mas bugnaw nga temperatura sa picoKelvin range ug anaa sa mas taas nga gidugayon. Ang net nga epekto mao ang taas nga oras sa obserbasyon busa mas maayong oportunidad sa pagtuon. Gihatagan niini ang mga ultracold atom interferometer nga gipakatap sa kawanangan nga adunay mga kapabilidad sa pagsukod nga adunay taas nga katukma ug gihimo kini nga mga super-sensor.  

Ang mga ultracold atom interferometer nga gipakatap sa kawanangan makamatikod sa maliputon kaayong mga kausaban sa grabidad nga nagpaila sa kausaban sa mga densidad. Makatabang kini sa pagtuon sa komposisyon sa mga planetary body ug bisan unsang pagbag-o sa masa.  

Ang taas nga katukma nga pagsukod sa grabidad makatabang usab nga mas masabtan ang dark matter ug dark energy ug sa pagsuhid sa maliputon nga pwersa lapas sa General Relativity ug sa Standard Model nga naghulagway sa makita nga uniberso.  

Ang Kinatibuk-ang Relativity ug ang Standard Model mao ang duha ka mga teorya nga naghulagway sa makita nga uniberso. Ang sumbanan nga modelo sa pisika sa partikulo sa panguna mao ang quantum field theory. Kini naghulagway lamang sa 5% sa uniberso, ang uban nga 95% anaa sa mangitngit nga mga porma (dark matter ug dark energy) nga dili nato masabtan. Ang Standard Model dili makapatin-aw sa ngitngit nga butang ug ngitngit nga kusog. Dili usab kini makapatin-aw sa matter-antimatter asymmetry. Sa susama, ang grabidad dili pa mahiusa sa ubang mga natad. Ang reyalidad sa uniberso dili bug-os nga gipatin-aw sa karon nga mga teorya ug modelo. Ang higanteng mga accelerator ug mga obserbatoryo dili makahatag ug kahayag sa kadaghanan niining mga misteryo sa kinaiyahan. Ingon nga labing tukma nga mga sensor, ang mga interferometer sa ultracold atom nga nakabase sa wanang nagtanyag mga oportunidad alang sa mga tigdukiduki nga susihon kini nga mga pangutana aron pun-on ang gintang sa atong pagsabut sa uniberso.  

*** 

mga pakisayran:  

1. Meystre, Pierre 1997. Kung ang mga atomo mahimong mga balud. Anaa sa https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf 

2. NASA. Cold Atom Laboratory - Mga Misyon sa Uniberso. Anaa sa https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/  

3. Aveline, DC, ug uban pa. Obserbasyon sa Bose-Einstein condensates sa usa ka Earth-orbiting research lab. Kinaiyahan 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1 

4. Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP ug uban pa. Quantum gas mixtures ug dual-species atom interferometry sa kawanangan. Kinaiyahan 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w 

5. Williams, JR, ug uban pa 2024. Mga eksperimento sa Pathfinder sa atom interferometry sa Cold Atom Lab sakay sa International Space Station. Nat Commun 15, 6414. Gipatik: 13 Agosto 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Preprint nga bersyon https://arxiv.org/html/2402.14685v1  

6. Gipakita sa NASA ang 'Ultra-Cool' Quantum Sensor sa Unang Panahon sa Kalawakan. Gipatik 13 Agosto 2024. Magamit sa https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space 

***