П'ятий елемент. Як NASA створило новий стан речовини в космосі

Вчені змогли домогтися нового стану речовини в космосі

Дослідники змогли охолодити частки хімічного елемента до надзвичайно низьких температур у космосі, що створило екзотичний стан матерії. Такі експерименти допоможуть у вивченні квантових ефектів на макроскопічному рівні.

Поки фізики пізнають квантову механіку за допомогою впливу магнітного поля на графен на Землі, їх астро-колеги вирішили, що саме гравітація (а точніше її відсутність) допоможе досягти успіху в цій нелегкій справі.

Як пише Live Science, NASA змогли відтворити рідкісний квантовий стан речовини, завдяки зниженню її температури практично до абсолютного нуля (приблизно -273°C) на Міжнародній космічній станції (МКС).

В якості піддослідного матеріалу використовували атоми рубідію. Вчені охолодили частки до рекордно низької температури - максимально наближеною до абсолютного нуля Кельвіна. Такі термальні умови, що застосовуються до мікроелементів, дозволили спостерігати квантові ефекти на макроскопічному рівні (тобто неозброєним оком).

Завдяки компактній лабораторії Сold Atom - квантовій машині, яка була запущена на МКС в травні 2018-го - дослідники змогли охолодити рубідій до такої температури, щоб він почав виділяти конденсат Бозе - Ейнштейна - агрегатний стан речовини, основу якого складають елементарні частинки - бозони.

У подібному суперохолодженому стані починають проявлятися квантові властивості атомів, які можна помітити без будь-яких приладів.

«Як правило, експерименти з конденсатом Бозе - Ейнштейна вимагають багато обладнання і майже постійного моніторингу вчених, тоді як компактна лабораторія Сold Atom має розмір невеликого холодильника і може керуватися дистанційно з Землі», - каже Роберт Шотвелл, керівник експерименту в Лабораторії реактивного руху у Лос -Анджелесі.

Однією з головних причин, чому експеримент проводили в космосі є ключова особливість Землі - гравітація. Дослідження в земних умовах вимагають наявності лазерів та магнітів для необхідного охолодження речовини, зниження коливальної енергії атомів і зміцнення зв'язку між ними, - фактичного поєднання їх воєдино.

Як тільки зовнішні фактори перестають впливати на матеріал, - в гру вступає звичайна сила тяжіння. Це обмежує виділення потрібного конденсату лише у кілька секунд, і фізикам дуже складно вивчати квантову природу на тривалому проміжку часу таким чином.

В умовах практично нульової гравітації на МКС, експерименти отримують зовсім інші масштаби. Лабораторія Сold Atom може утворювати конденсат Бозе - Ейнштейна, вивільняти його та розглядати явище протягом значно більшого часу - приблизно 5-10 секунд, поки він остаточно не розсіється.

Оскільки в невагомості можна охолоджувати рубідій до низькіших температур, ніж на Землі, розвиток космічних технологій стає важливим аспектом для вивчення квантової механіки.

Нагадаємо, поки діючий рекорд людства по зниженню температури речовини все ж був поставлений на Землі. Три роки тому, вчені з Массачусетського технологічного інституту змогли охолодити з'єднання натрію і калію 23Na40K до наднизької температури у 500 нанокельвінів - 0,0000005°K або -273,1499995°C.

Тоді охолоджені молекули газу змінили свої властивості, призупинивши хаотичний рух та практично сформували єдине тіло. Речовина змогла зберегти свій стан лише на 2,5 секунди.