NASA空间站冷原子实验室创造出接近绝对零度的超冷气泡

2022年05月23日 12:32 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

自NASA的阿波罗计划以来,宇航员已经记录了像水这样的液体在微重力下的行为跟在地球上不同。现在,研究人员已经通过使用一种更奇特的材料--冷却到几乎绝对零度(零下273摄氏度)的气体--证明了这种效果。据悉,这是物质可以达到的最低温度。

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通过利用NASA的冷原子实验室--国际空间站上的第一个量子物理设施,研究人员将原子样本冷却到绝对零度以上的百万分之一并将其塑造成极薄的空心球体。冷气体开始时是一个小的圆球,就像一个蛋黄,然后被雕刻成更像一个薄蛋壳的东西。原子向下汇集,而形成的东西在形状上更接近于隐形眼镜而不是气泡,这样的尝试在地球上不可能实现。

这个里程碑只有在空间站的微重力环境下才可能实现。相关研究报告已于当地时间5月18日发表在《自然》上。

据了解,超低温气泡最终可用于一种更奇特的材料的新型实验:第五种物质状态(不同于气体、液体、固体和等离子体),其被称为玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)。在BEC中,科学家可以在肉眼可见的范围内观察原子的量子特性。如原子和粒子有时表现得像固体物体,有时表现得像波--这种量子特性称为“波粒二象性”。

这项工作不需要宇航员协助。超低温气泡是在冷原子实验室严密密封的真空室中制造的,其使用磁场轻轻地将气体操纵成不同的形状。而实验室本身--约有一个迷你冰箱那么大--则由JPL远程操作。

最大的气泡直径约为1毫米,厚度为1微米。它们是如此得稀薄,以至于只有成千上万的原子才能构成它们。相比之下,地球上一立方毫米的空气含有大约10亿兆个分子。

这项新工作的论文主要作者、NASA南加州喷气推进实验室冷原子实验室科学小组的成员David Aveline说道:“这些都不像你的普通肥皂泡。据我们所知,自然界中没有任何东西能像冷原子实验室中产生的原子气体那样冷。所以我们从这种非常独特的气体开始研究它在被塑造成根本不同的几何形状时的表现。并且从历史上看,当一种材料以这种方式被操纵时,可以出现非常有趣的物理学及新的应用。”

为什么它“重要”?

将材料暴露在不同的物理条件下是了解它们的核心。这往往也是为这些材料寻找实际应用的第一步。

在空间站上使用冷原子实验室进行这些类型的实验使科学家能消除重力的影响,而重力通常是影响流体运动和行为的主要力量。通过这样做,科学家们可以更好地了解其他起作用的因素,如液体的表面张力或粘性。

现在,科学家们已经创造了超冷气泡,他们接下来将是把组成气泡的超冷气体过渡到BEC状态,然后看看它是如何表现的。

“一些理论工作表明,如果我们用这些处于BEC状态的气泡之一工作,我们可能能够在量子材料中形成涡流--基本上是小漩涡,”来自缅因州路易斯顿的贝茨学院的物理学教授、这项新研究的第一研究者Nathan Lundblad说道,“这是一个物理配置的例子,它可以帮助我们更好地理解BEC的特性并对量子物质的性质有更多的了解。”

量子科学领域已经带来了现代技术的发展,如晶体管和激光器。在地球轨道上进行的量子调查可能会带来航天器导航系统和研究地球和其他太阳系天体的传感器的改进。超冷原子设施已经在地球上运行了几十年,然而在太空中,研究人员可以以新的方式研究超冷原子和BEC,这是因为重力的影响被减少了。这使研究人员能定期达到更低的温度并比在地球上更长时间地观察各种现象。

JPL冷原子实验室的项目科学家Jason Williams表示:“我们的冷原子实验室的主要目标是基础研究--我们希望利用空间站独特的空间环境来探索物质的量子性质。在新的几何结构中研究超冷原子是一个完美的例子。”

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