Ultrakalte Blasen, die im Cold Atom Lab der NASA hergestellt werden, bieten neue Möglichkeiten, mit einem exotischen Materiezustand zu experimentieren.
Seit den Tagen des Apollo-Programms der NASA haben Astronauten dokumentiert (und damit gekämpft), wie sich Flüssigkeiten in der Mikrogravitation anders verhalten als auf der Erde – sie verschmelzen zu schwebenden Kugeln statt zu bodenschweren Tröpfchen. Jetzt haben Forscher diesen Effekt mit einem viel exotischeren Material demonstriert: Gas, das auf fast den absoluten Nullpunkt (minus 459 Grad Fahrenheit oder minus 273 Grad Celsius) abgekühlt ist, die niedrigste Temperatur, die Materie erreichen kann.
Unter Verwendung des Cold Atom Lab der NASA, der allerersten Quantenphysik-Einrichtung an Bord der Internationalen Raumstation, nahmen Forscher Proben von Atomen, die auf ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt waren, und formten sie zu extrem dünnen, hohlen Kugeln. Das kalte Gas beginnt in einem kleinen, runden Fleck, wie ein Eigelb, und wird zu etwas mehr wie einer dünnen Eierschale geformt. Auf der Erde scheitern ähnliche Versuche: Die Atome sammeln sich nach unten und bilden etwas, das in seiner Form eher einer Kontaktlinse als einer Blase ähnelt.
Der Meilenstein – beschrieben in einem neuen Artikel, der am Mittwoch, den 18. Mai, online in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur– ist nur in der Mikrogravitationsumgebung auf der Raumstation möglich.
Die ultrakalten Blasen könnten schließlich in neuartigen Experimenten mit einem noch exotischeren Material verwendet werden: einem fünften Materiezustand (unterscheidbar von Gasen, Flüssigkeiten, Festkörpern und Plasmen), der als Bose-Einstein-Kondensat (BEC) bezeichnet wird. In einem BEC können Wissenschaftler die Quanteneigenschaften von Atomen in einem Maßstab beobachten, der mit bloßem Auge sichtbar ist. Beispielsweise verhalten sich Atome und Teilchen manchmal wie feste Objekte und manchmal wie Wellen – eine Quanteneigenschaft, die als „Welle-Teilchen-Dualismus“ bezeichnet wird.
Die Arbeit erfordert keine Astronautenunterstützung. Die ultrakalten Blasen werden in der dicht verschlossenen Vakuumkammer von Cold Atom Lab unter Verwendung von Magnetfeldern hergestellt, um das Gas sanft in verschiedene Formen zu manipulieren. Und das Labor selbst – das etwa die Größe eines Minikühlschranks hat – wird von JPL aus ferngesteuert.
Die größten Blasen haben einen Durchmesser von etwa 1 Millimeter und eine Dicke von 1 Mikrometer (das ist ein Tausendstel Millimeter oder 0,00004 Zoll). Sie sind so dünn und verdünnt, dass sie nur aus Tausenden von Atomen bestehen. Zum Vergleich: Ein Kubikmillimeter Luft auf der Erde enthält etwa eine Milliarde Billionen Moleküle.
Ultrakalte Atomwolken werden im Cold Atom Lab der NASA an Bord der Internationalen Raumstation zu Hohlkugeln manipuliert. In dieser Bilderserie sind Wolken in verschiedenen Inflationsstadien zu sehen, die einfangen, wie eine einzelne Atomwolke aussieht, wenn sie zu einer Blase manipuliert wird. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
„Das sind keine gewöhnlichen Seifenblasen“, sagte David Aveline, Hauptautor der neuen Arbeit und Mitglied des Wissenschaftsteams des Cold Atom Lab am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Nichts, was wir in der Natur kennen, wird so kalt wie die atomaren Gase, die im Cold Atom Lab produziert werden. Also beginnen wir mit diesem sehr einzigartigen Gas und untersuchen, wie es sich verhält, wenn es in grundlegend andere Geometrien geformt wird. Und, historisch gesehen, wenn ein Material manipuliert wird Auf diese Weise können sehr interessante Physik und neue Anwendungen entstehen.“
Warum es wichtig ist‘
Materialien unterschiedlichen physikalischen Bedingungen auszusetzen, ist von zentraler Bedeutung, um sie zu verstehen. Es ist auch oft der erste Schritt, um praktische Anwendungen für diese Materialien zu finden.
Die Durchführung dieser Art von Experimenten auf der Raumstation mit dem Cold Atom Lab ermöglicht es Wissenschaftlern, die Auswirkungen der Schwerkraft zu beseitigen, die oft die dominierende Kraft ist, die sich auf die Bewegung und das Verhalten von Flüssigkeiten auswirkt. Auf diese Weise können Wissenschaftler die anderen Faktoren, die eine Rolle spielen, wie etwa die Oberflächenspannung oder Viskosität einer Flüssigkeit, besser verstehen.
Nachdem die Wissenschaftler nun die ultrakalten Blasen erzeugt haben, wird ihr nächster Schritt darin bestehen, das ultrakalte Gas, aus dem die Blasen bestehen, in den BEC-Zustand zu überführen und zu sehen, wie es sich verhält.
„Einige theoretische Arbeiten deuten darauf hin, dass wir, wenn wir mit einer dieser Blasen im BEC-Zustand arbeiten, in der Lage sein könnten, Wirbel – im Grunde kleine Strudel – im Quantenmaterial zu bilden“, sagte Nathan Lundblad, Professor für Physik bei Bates College in Lewiston, Maine, und der Hauptforscher der neuen Studie. „Das ist ein Beispiel für eine physikalische Konfiguration, die uns helfen könnte, die BEC-Eigenschaften besser zu verstehen und mehr Einblick in die Natur der Quantenmaterie zu gewinnen.“
Das Gebiet der Quantenwissenschaften hat zur Entwicklung moderner Technologien wie Transistoren und Laser geführt. In der Erdumlaufbahn durchgeführte Quantenuntersuchungen könnten zu Verbesserungen der Navigationssysteme und Sensoren von Raumfahrzeugen zur Untersuchung der Erde und anderer Körper des Sonnensystems führen. Ultrakalte Atomanlagen sind seit Jahrzehnten auf der Erde in Betrieb; Im Weltraum können Forscher jedoch ultrakalte Atome und BECs auf neue Weise untersuchen, da die Auswirkungen der Schwerkraft verringert werden. Dadurch können Forscher regelmäßig kältere Temperaturen erreichen und Phänomene länger beobachten als auf der Erde.
„Unser Hauptziel mit Cold Atom Lab ist die Grundlagenforschung – wir wollen die einzigartige Weltraumumgebung der Raumstation nutzen, um die Quantennatur der Materie zu erforschen“, sagte Jason Williams, Projektwissenschaftler für Cold Atom Lab am JPL. „Das Studium ultrakalter Atome in neuen Geometrien ist ein perfektes Beispiel dafür.“
RA Carollo et al, Beobachtung ultrakalter Atomblasen in orbitaler Mikrogravitation, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04639-8