近日,在美國國家航空航天局(NASA)的冷原子實驗室(CAL)內(nèi),科學家將超冷原子氣體形成超冷原子氣泡,有助于為量子研究開辟新途徑。相關(guān)成果發(fā)表在《自然》(Nature)。
圖片來自《自然》(Nature)
自NASA阿波羅計劃以來,美國宇航員已經(jīng)記錄了液體在微重力環(huán)境下與地球上的不同表現(xiàn):在微重力環(huán)境下,液體結(jié)合成漂浮的球體,而不是地球上所看到的底部較重、下垂的水滴形狀。
微重力是指重力似乎非常小的情況,人或物體在這種環(huán)境下看起來處于失重狀態(tài)。當宇航員和物體在太空中漂浮時,可以看到微重力產(chǎn)生的影響。在微重力條件下,宇航員可以在宇宙飛船里漂浮,或者在宇宙飛船外進行太空漫步。重物在微重力條件下也能夠被輕易移動。例如,宇航員用指尖可以移動數(shù)百磅重的設(shè)備。
微重力不是由地球引力產(chǎn)生,而是由于太空殘余大氣等因素造成。NASA表示,微重力并非零重力,不可混為一談。
冷原子實驗室于2018年3月向國際空間站發(fā)射,并在發(fā)射幾個月后安裝完成。它由兩個標準化容器組成:如圖所示,左邊的冷原子實驗室科學儀器包含了科學模塊,可以將原子冷卻到接近絕對零度(絕對零度為零下273攝氏度),其大小約為一個小型冰箱;右邊較小的容器則包含了其它所需硬件。冷原子實驗室可以利用國際空間站的微重力環(huán)境,來進一步研究量子現(xiàn)象。
圖片來自NASA/JPL
此次,利用前述冷原子實驗室,研究人員提取了冷卻到絕對零度以上百萬分之一度以內(nèi)的原子樣本,并將它們塑造成極薄的空心球體。超冷原子氣體開始是一個小的圓團,像一個蛋黃,然后被塑造成更像是薄蛋殼的形狀。在地球上這樣的嘗試屢屢失敗,這是由于地球上原子會向下聚集,形成的形狀更像是一片隱形眼鏡,而非氣泡。
這種超冷原子氣泡可以用于研究一種奇特物質(zhì)狀態(tài)的新型實驗,即第五種物質(zhì)狀態(tài)(不同于氣體、液體、固體和等離子體),這種物質(zhì)狀態(tài)被稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC),是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度所呈現(xiàn)出的一種氣態(tài)的、超流性的物質(zhì)狀態(tài)。
圖片來自NASA/JPL
在BEC中,科學家可以在肉眼可見的尺度上觀察原子的量子特性。例如,原子和粒子有時表現(xiàn)得像固體,有時表現(xiàn)得像波,即呈現(xiàn)出“波粒二象性”的量子特性。
前述研究并不需要宇航員的協(xié)助。這些超冷原子氣泡是在冷原子實驗室密封的真空室中制造的,利用磁場輕輕地操縱氣體,以形成不同的形狀。而冷原子實驗室可由美國NASA噴氣推進實驗室遠程操作。其中最大的氣泡直徑約為1毫米,厚度為1微米(即千分之一毫米)。
“這些并不像普通的肥皂泡,”論文主要作者、位于南加州的美國NASA噴氣推進實驗室冷原子實驗室科學團隊成員David Aveline說道,“據(jù)我們所知,自然界中沒有什么比冷原子實驗室產(chǎn)生的原子氣體溫度更冷。所以我們利用這種非常獨特的氣體,開始研究它形成完全不同的幾何形狀時的表現(xiàn)。從歷史角度看,當一種材料以這樣的方式被操控時,就會產(chǎn)生非常有趣的物理現(xiàn)象,以及新的應(yīng)用。”
國際空間站中的超冷原子氣泡形成,視頻來自NASA/JPL(00:16)
將材料放置在不同物理條件下是理解材料特性的關(guān)鍵,這通常也是為其找到實際應(yīng)用的第一步。
在國際空間站上使用冷原子實驗室進行前述實驗,使科學家能夠更好地消除重力影響,重力通常會影響流體的運動和表現(xiàn)。
在目前形成的超冷原子氣泡基礎(chǔ)上,科學家下一步打算將組成這些氣泡的超冷氣體轉(zhuǎn)變?yōu)锽EC狀態(tài),并觀察其表現(xiàn)。
“冷原子實驗室的主要目標是基礎(chǔ)研究,我們想利用空間站獨特的太空環(huán)境來探索物質(zhì)的量子特性,”NASA噴氣推進實驗室冷原子實驗室項目科學家Jason Williams說道,“以新的幾何形狀研究超冷原子就是一個不錯的例子。”