Εγένετο η "πέμπτη κατάσταση της ύλης". One Giant Leap for Quantum Science: Exotic Fifth State of Matter Created on Space Station

Είναι η πρώτη φορά που επιτυγχάνεται στο διάστημα σε περιβάλλον μικροβαρύτητας, ανοίγοντας νέα σελίδα στη μελέτη της ύλης. A new study describes how the mission became the first to make a fifth state of matter in Earth orbit, and the advantages of studying atoms in space. This animated video shows six finely tuned lasers used inside NASA’s Cold Atom Lab to slow down atoms, lowering their temperature. This is step one in a three-step cooling process. Credit: NASA/JPL-Caltech

Ένα πείραμα στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ΔΣΣ) από επιστήμονες της Αμερικανικής Διαστημικής Υπηρεσίας (NASA) δημιούργησε την εξωτική κβαντική "πέμπτη κατάσταση της ύλης", ένα υπέρψυχρο αέριο συμπύκνωμα Bose-Einstein. Πρόκειται για επιστημονικό και τεχνολογικό επίτευγμα, καθώς είναι η πρώτη φορά που επιτυγχάνεται κάτι τέτοιο στο διάστημα σε περιβάλλον μικροβαρύτητας, κάτι που επιτρέπει τη μελέτη της ύλης σε συνθήκες πιο ευνοϊκές από εκείνες της Γης.

Astronaut Christina Koch installing the Cold Atom Laboratory on the ISS. NASA/JSC

Το πείραμα έγινε σε ένα από τα πιο κρύα μέρη στο σύμπαν, σε μία συσκευή μεγέθους βαλίτσας (Cold Atom Laboratory-CAL), που είχε εκτοξευθεί στον ΔΣΣ το 2018. Το εν λόγω μίνι-εργαστήριο ψύχει άτομα ρουβιδίου σε έναν θάλαμο κενού, χρησιμοποιώντας φως λέιζερ για να επιβραδύνει την κίνησή τους. 

H συμπύκνωση Bose–Einstein στην Γη και στο διάστημα: a, Άτομα σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (–273 ^οC) σε μια μαγνητική παγίδα μπορούν να σχηματίσουν μια κατάσταση της ύλης που ονομάζεται συμπύκνωμα Bose–Einstein, το οποίο εμφανίζει εμφανή κβαντικά χαρακτηριστικά συμπεριφερόμενο σαν ένα υλικό κύμα. Μια βαθιά παγίδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην Γη (όπου η βαρύτητα επηρεάζει το σχήμα της παγίδας), αλλά και στο διάστημα. Όμως, όταν το συμπύκνωμα απελευθερώνεται από την παγίδα και αφήνεται ελεύθερο να κινηθεί, μετά από λίγο χρόνο τα κυματικά χαρακτηριστικά της ύλης χάνονται. b,  Μια ρηχή παγίδα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην Γη γιατί τα άτομα δεν μπορούν να συγκρατηθούν μεταξύ τους κόντρα στην βαρυτική έλξη της Γης. Οι Aveline et al  στην  εργασία τους με τίτλο «Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab» έδειξαν ότι μια τέτοια παγίδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο διάστημα και στο ίδιο χρονικό διάστημα με το αντίστοιχο πείραμα στη Γη η ύλη να διατηρεί τον κυματικό της χαρακτήρα. c, Ένα συμπύκνωμα Bose–Einstein θα μπορούσε να περιοριστεί κατά μήκος της επιφάνειας μιας σφαιρικού σχήματος παγίδας στο διάστημα, όχι όμως στη Γη, όπου τα άτομα του συμπυκνώματος συσσωρεύονται στο κάτω ημισφαίριο της παγίδας. Bose–Einstein condensates on Earth and in space. a, Ultracold atoms in a magnetic trap can form a state of matter called a Bose–Einstein condensate, which can be considered as a single matter wave. A deep trap can be used on Earth (where the planet’s gravitational pull affects the trap’s shape) and in space. However, when the condensate is released from the trap and allowed to expand freely for a relatively long fixed time, the matter-wave signal is lost. b, A shallow trap cannot be used on Earth because the atoms cannot be held together against the planet’s gravitational pull. Aveline et al. found that such a trap can be used in space, and that the resulting matter-wave signal is retained after the same expansion time as in a, owing to a slower expansion rate. c, A Bose–Einstein condensate could be confined uniformly across the surface of a bubble-shaped trap in space but not on Earth, where the atoms accumulate at the trap’s base.

Στη συνέχεια, μαγνητικά πεδία συγκρατούν και «παγιδεύουν» το πυκνό νέφος των ατόμων, που έχει θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν (μείον 273 βαθμοί Κελσίου), με τελικό αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός συμπυκνώματος Bose-Einstein.

Atoms are usually arranged in a certain order to create a liquid, solid, gas or plasma - but in 1925 Albert Einstein and Satyendra Nath Bose said cold enough atoms would lose their individuality and clump together. They called the resulting matter Bose-Einsten condensate - here it can be seen under the microscope after being created on the ISS.

Τα εν λόγω συμπυκνώματα είχαν προταθεί θεωρητικά ως πέμπτη κατάσταση της ύλης (μετά τα στερεά, τα υγρά, τα αέρια και το πλάσμα) στις αρχές της δεκαετίας του 1920 από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν και τον Ινδό Σατιέντρα Ναθ Μπόουζ, από όπου πήραν και το όνομά τους. Στην πράξη παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά πριν 25 χρόνια.

Το πολύ κρύο νέφος παύει να συμπεριφέρεται όπως τα επιμέρους άτομα και σωματίδια, αλλά μάλλον ως μία ενιαία οντότητα με κβαντικές ιδιότητες, όπου κάθε σωματίδιο λειτουργεί, επίσης, και ως κύμα. Το όλο συμπύκνωμα μπορεί, πλέον, να θεωρηθεί ως ένα ενιαίο κύμα ύλης. Ορισμένοι επιστήμονες θεωρούν ότι αυτά τα συμπυκνώματα μπορούν να παράσχουν ζωτικές ενδείξεις για μυστήρια της Φυσικής, όπως η σκοτεινή ενέργεια.

The velocity-distribution data for gaseous rubidium atoms which confirmed the discovery of the Bose–Einstein condensate in 1995. (Image: © NIST/JILA/CU-Boulder)

Η εν λόγω "εξωτική" κατάσταση της ύλης έχει δημιουργηθεί από πολλούς επιστήμονες σε διάφορα πειράματα από το 1995 και μετά στη Γη, όπου, όμως, λόγω της βαρύτητας, το συμπύκνωμα μπορεί να δημιουργηθεί μόνο για κλάσματα του δευτερολέπτου. Αντίθετα, όπως έδειξε το πείραμα στον ΔΣΣ, στο διάστημα -με την πολύ μικρότερη βαρύτητα- η πέμπτη κατάσταση της ύλης παραμένει σταθερή για μερικά δευτερόλεπτα, οπότε μπορεί να μελετηθεί καλύτερα.

How do you cool atoms down to almost absolute zero, or the temperature at which atoms should stop moving entirely? Members of NASA’s Cold Atom Lab team explain. Credit: NASA/JPL-Caltech

Το ευρισκόμενο σε εξέλιξη πείραμα CAL πραγματοποιείται εξ αποστάσεως με επικεφαλής τον Ρόμπερτ Τόμσον του Εργαστηρίου Αεριώθησης (JPL) του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech) και της Αμερικανικής Διαστημικής Υπηρεσίας (NASA), και τα πρώτα αποτελέσματά του παρουσιάστηκαν σε δημοσίευση στο «Nature».

Στο μέλλον, οι ερευνητές ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν το πείραμα για να παρακολουθήσουν τα άτομα να συγκρούονται σε κβαντικό επίπεδο, καθώς, επίσης, να ανιχνεύσουν κατά πόσο πιθανές «ρυτιδώσεις» του χωροχρόνου που προκαλούν τα βαρυτικά κύματα, επιδρούν στην κίνηση των ατόμων. Ακόμη, θα ελεγχθεί κατά πόσο η μικροβαρύτητα παραβιάζει την αρχή ισοδυναμίας του Αϊνστάιν, σύμφωνα με την οποία όλες οι μάζες σε ένα βαρυτικό πεδίο επιταχύνονται με τον ίδιο τρόπο.

Πηγές: Nature, s41586-020-2346-1 DOI: 10.1038/s41586-020-2346-1 - https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7677&fbclid=IwAR2iDZd4g-s-Yt6BD-FcYL2bZnHvqGrey6LhgQL1-CU0bwePsWYMB75SO1w - https://scitechdaily.com/one-giant-leap-for-quantum-science-exotic-fifth-state-of-matter-created-on-space-station/ - https://tvxs.gr/news/sci-tech/egeneto-i-pempti-katastasi-tis-ylis-simantiko-epiteygma-tis-nasa