Впервые в космосе продемонстрирована ультрахолодная атомная интерферометрия

Чрезвычайно точные измерения возможны с использованием атомных интерферометров, что предполагает задействование волнового характера атомов. Таким образом, их можно использовать, например, для измерения гравитационного поля Земли или для обнаружения гравитационных волн. Группе ученых из Германии удалось впервые успешно провести атомную интерферометрию в космосе — на борту зондирующей ракеты.

Профессор Патрик Виндпассинджер из Института физики Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU ), команда которого участвовала в расследовании, сказал:

Мы создали технологическую основу для атомной интерферометрии на борту зондирующей ракеты и продемонстрировали, что такие эксперименты возможны не только на Земле, но и в космосе.

Результаты их анализа опубликованы в Nature Communications.

Группа исследователей из различных университетов и исследовательских центров во главе с Университетом Лейбница в Ганновере запустила миссию MAIUS-1 в январе 2017 года. С тех пор это первая ракетная миссия, в ходе которой в космосе был образован конденсат Бозе-Эйнштейна. Это особое состояние вещества возникает, когда атомы — в данном случае атомы рубидия — охлаждаются до температуры, близкой к абсолютному нулю, или минус 273,15 градуса Цельсия. Температура является одним из определяющих факторов, поскольку измерения можно проводить более точно, и в течение более длительных периодов времени, при более низких температурах.

Источник: IQO.

Пример интерференционной картины атомного интерферометра.

В ходе экспериментов газ из атомов рубидия отделялся с помощью лазерного излучения, а затем накладывался друг на друга. В зависимости от сил, действующих на атомы на их разных путях, могут быть созданы несколько интерференционных картин, которые, в свою очередь, могут использоваться для измерения сил, влияющих на них, таких как гравитация.

Исследование впервые продемонстрировало когерентность или интерференционную способность конденсата Бозе-Эйнштейна как фундаментально необходимое свойство атомного ансамбля. Для этого атомы в интерферометре только частично накладывались друг на друга посредством изменения световой последовательности, что в случае когерентности приводило к генерации пространственной модуляции интенсивности. Таким образом, исследовательская группа продемонстрировала жизнеспособность концепции, которая может привести к дальнейшим экспериментам, нацеленным на измерение гравитационного поля Земли, обнаружение гравитационных волн и проверку принципа эквивалентности Эйнштейна.

В ближайшем будущем команда хочет пойти дальше и исследовать возможность высокоточной атомной интерферометрии для проверки принципа эквивалентности Эйнштейна. Еще два запуска ракет, MAIUS-2 и MAIUS-3, запланированы на 2022 и 2023 годы, и в этих миссиях команда также намерена использовать атомы калия, помимо атомов рубидия, для создания интерференционных картин. Сравнивая ускорение свободного падения двух типов атомов, можно облегчить проверку принципа эквивалентности с недостижимой ранее точностью.

Эксперимент является одним из примеров очень активной области исследований квантовых технологий, которая также включает разработки в области квантовой связи, квантовых датчиков и квантовых вычислений.