Materiak izaera bikoitza du; dena existitzen da bai partikula bai uhin gisa. Zero absolututik hurbil dagoen tenperaturan, atomoen uhin-izaera ikusgarrian dagoen erradiazioen bidez ikus daiteke. NanoKelvin barrutian halako tenperatura ultrahotzetan, atomoak entitate handiago bakarrean bat egiten dute eta Bose Eisenstein Condensate (BEC) izeneko bosgarren egoerara igarotzen dira, pakete handi batean uhin gisa jokatzen duena. Uhin guztiek bezala, egoera honetako atomoek interferentziaren fenomenoa erakusten dute eta atomo-uhinen interferentzia-ereduak laborategietan azter daitezke. Espazioko mikrograbitate ingurunean zabaldutako atomo interferometroek sentsore oso zehatz gisa jokatzen dute eta azelerazio ahulenak neurtzeko aukera ematen dute. Nazioarteko Espazio Estazioan (ISS) Lurraren inguruan orbitatzen duen Cold Atom Laboratory (CAL) tamainako mini hozkailua espazioko mikrograbitate ingurunean gas kuantiko ultra-hotzak aztertzeko ikerketa-instalazioa da. Duela urte batzuk Atom Interferometer-ekin berritu zen. 13ko abuztuaren 2024an argitaratutako txostenaren arabera, ikertzaileek arrakastaz egin dituzte bide-bilatzaileen esperimentuak. ISSren bibrazioak neur ditzakete hiru pultsoko Mach-Zehnder interferometro bat erabiliz CAL instalazioan. Hau izan zen espazioan sentsore kuantiko bat erabiltzen zen lehen aldia inguru hurbileko aldaketak detektatzeko. Bigarren esperimentuak Ramsey ebakidura-uhinen interferometria erabili zuen interferentzia-ereduak lasterketa bakarrean agertzeko. Ereduak 150 ms baino gehiagoko hedapen askeko denboran behatu ziren. Hau izan zen espazioan erorketa librean atomoen uhin izaeraren frogarik luzeena. Ikerketa taldeak Bragg laser fotoiaren atzerakada ere neurtu zuen espazioan atomo-interferometria erabiliz lehen sentsore kuantikoaren erakusgarri gisa. Garapen horiek esanguratsuak dira. Sentsore zehatzenak direnez, espazioan oinarritutako atomo ultrahotzetako interferometroek azelerazio oso ahulak neur ditzakete, beraz, ikertzaileei galderak aztertzeko aukerak eskaintzen dizkiete (adibidez, materia iluna eta energia iluna, materia-anti-materia asimetria, grabitatearen bateratzea beste eremu batzuekin) Erlatibitate Orokorrak eta Partikulen Fisikaren Eredu Estandarrak ezin dutela unibertsoaren ulermenaren hutsunea azaldu eta bete.
Uhinek interferentzia-fenomenoa erakusten dute, hau da, bi uhin koherente edo gehiago konbinatzen dira, konbinazio-uhinen faseen arabera anplitude handiagoa edo txikiagoa izan dezakeen uhin erresultante bat sortzeko. Argiaren kasuan, ondoriozko uhinak ikusten ditugu ertz ilun eta argien moduan.
Interferometria ezaugarriak neurtzeko metodo bat da, interferentziaren fenomenoa erabiliz. Intzidentzia-uhina bi izpitan zatitzea dakar, bide desberdinak ibiltzen direnak, gero konbinatzen diren interferentzia-eredua edo ertzak (argiaren kasuan) sortzeko. Ondorioz, interferentzia-eredua sentikorra da habeen bidaia-bideen baldintzen aldaketekin, adibidez, bidaia-ibilbidearen luzeraren edo edozein eremutan uhin-luzerarekin erlazionatutako edozein aldaketak interferentzia-eredua eragiten du eta neurketarako erabil daiteke.
de Broglie uhina edo materia uhina
Materiak izaera bikoitza du; partikula eta uhin gisa existitzen da. Mugitzen ari diren partikula edo objektu bakoitzak de Broglie ekuazioak emandako uhin-ezaugarri bat du
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
non λ uhin-luzera den, h Planck-en konstantea, m masa, v partikularen abiadura, p momentua, K Boltzmann-en konstantea eta T tenperatura Kelvin-etan.
De Broglie-ren uhin-luzera termikoa tenperaturaren erro karratuarekiko alderantziz proportzionala da kelvin-en, hots, λ handiagoa izango da tenperatura baxuagoan.
Atomo ultra hotzen uhinen azterketa
Atomo tipiko baterako, de Broglie uhin-luzera giro-tenperaturan angstrom-en ordenakoa da (10-10 m) alegia. 0.1 nanometro (1 nm=10-9 m). Uhin-luzera jakin bateko erradiazio batek tamaina-tarte bereko xehetasunak ebatzi ditzake. Argiak ezin ditu bere uhin-luzera baino txikiagoko xehetasunak ebatzi, beraz, giro-tenperaturan dagoen atomo tipiko bat ezin da irudikatu 400 nm eta 700 nm inguruko uhin-luzera duen argi ikusgaia erabiliz. X izpiek egin dezakete bere angstrom tartearen uhin-luzera dela eta, baina bere energia handiak behatu behar dituen atomoak suntsitzen ditu. Beraz, soluzioa atomoaren tenperatura murriztean datza (10etik behera-6 kelvin) atomoen de Broglie uhin-luzerak handitu eta argi ikusgaiaren uhin-luzerekin konpara daitezen. Tenperatura ultrahotzetan, atomoen uhin izaera neurgarria eta garrantzitsua bihurtzen da interferometriarako.
Atomoen tenperatura gehiago murrizten den heinean nanokelvinen tartean (10-9 kelvin) 400 nK ingurukoa da, bosoi atomikoak Bose-Einstein kondentsatua (BCE) izeneko bosgarren egoerarako trantsizioa. Zero absolututik gertu dauden tenperatura ultra-baxuetan partikulen mugimendu termikoak oso arbuiagarriak direnean, atomoak pakete handi batean uhin gisa jokatzen duen entitate handiago bakar batean bat egiten dute. Atomoen egoera honek aukera eskaintzen die ikertzaileei sistema kuantikoak eskala makroskopikoan aztertzeko. Lehen BCE atomikoa 1995ean sortu zen rubidio atomoen gas batean. Harrezkero, arlo honek teknologian hobekuntza asko izan ditu. The BEC molekularra NaCs molekulak duela gutxi sortu dira 5 nanoKelvin (nK) tenperatura ultrahotzean.
Espazioko mikrograbitate-baldintzak hobeak dira ikerketa mekaniko kuantikorako
Lurrean oinarritutako laborategietako grabitateak tranpa magnetikoa erabiltzea eskatzen du atomoak bere lekuan eusteko, hozte eraginkorra izateko. Grabitateak lurreko laborategietako BECekin elkarrekintza-denbora ere mugatzen du. Espazioko laborategietako mikrograbitate ingurunean BECak sortzeak muga horiek gainditzen ditu. Mikrograbitate-inguruneak interakzio-denbora handitu dezake eta aplikatutako eremuaren asaldurak murrizten ditu, eta, horrela, ikerketa mekaniko kuantikoa hobeto onartzen du. Gaur egun, BCEak espazioan mikrograbitate baldintzetan sortzen dira.
Cold Atom Laboratory (CAL) Nazioarteko Espazio Estazioan (ISS)
Cold Atom Laboratory (CAL) Nazioarteko Espazio Estazioan (ISS) oinarritutako erabiltzaile anitzeko ikerketa-instalazioa da, espazioko mikrograbitate ingurunean gas kuantiko ultra-hotzak aztertzeko. CAL Jet Propulsion Laboratory-ko operazio zentrotik urrunetik funtzionatzen da.
Espazioko instalazio honetan, 10 segundo baino gehiagoko behaketa-denborak eta tenperatura ultrahotzak 100 picoKelvin-tik beherakoak izan daitezke (1 pK= 10).-12 Kelvin) fenomeno kuantikoen azterketarako.
Cold Atom Lab 21ko maiatzaren 2018ean jarri zen abian eta 2018ko maiatzaren amaieran instalatu zen ISSn. 2018ko uztailean Bose-Einstein Condensate (BEC) sortu zen espazioko instalazio honetan. Lehen aldia izan zen; Lurraren orbitan materiaren bosgarren egoera sortu zen. Geroago, instalazioak berritu egin ziren atomo ultrahotzen interferometroak zabaldu ostean.
CALek mugarri asko lortu ditu azken urteotan. Rubidio Bose-Einstein kondentsadoak (BEC) 2020an sortu ziren espazioan. Gainera, frogatu zen mikrograbitate ingurunea onuragarria dela atomo hotzeko esperimenturako.
Iaz, 2023an, ikertzaileek sortutako BEC espezie bikoitza ekoitzi zuten 87Rb eta 41K eta aldibereko atomo-interferometria frogatu zuen bi espezie atomikorekin lehen aldiz espazioan Cold Atom Laboratory instalazioetan. Lorpen hauek garrantzitsuak izan ziren espazioan erorketa librearen unibertsaltasunaren (UFF) proba kuantikoetarako.
Azken aurrerapena espazioan oinarritutako teknologia kuantikoetan
13ko abuztuaren 2024an argitaratutako txostenaren arabera), ikertzaileek lan egiten zuten 87Rb atomoak CAL atomo interferometroan eta arrakastaz burutu zituen hiru bide-bilaketa esperimentuak. ISSren bibrazioak neur ditzakete hiru pultsoko Mach-Zehnder interferometro bat erabiliz CAL instalazioan. Hau izan zen espazioan sentsore kuantiko bat erabiltzen zen lehen aldia inguru hurbileko aldaketak detektatzeko. Bigarren esperimentuak Ramsey ebakidura-uhinen interferometria erabili zuen interferentzia-ereduak lasterketa bakarrean agertzeko. Ereduak 150 ms baino gehiagoko hedapen askeko denboran behatu ziren. Hau izan zen espazioan erorketa librean atomoen uhin izaeraren frogarik luzeena. Ikerketa taldeak Bragg laser fotoiaren atzerakada ere neurtu zuen espazioan atomo-interferometria erabiliz lehen sentsore kuantikoaren erakusgarri gisa.
Espaziora zabaldutako atomo ultrahotzen interferometroen garrantzia
Atomo interferometroek atomoen izaera kuantikoa aprobetxatzen dute eta oso sentikorrak dira azelerazio edo eremuen aldaketekiko, beraz, doitasun handiko tresna gisa aplikazioak dituzte. Lurrean oinarritutako atomo interferometroak grabitatea aztertzeko eta nabigazio teknologia aurreratuetan erabiltzen dira.
Espazioan oinarritutako atomo interferometroek mikrograbitate iraunkorreko ingurunearen abantailak dituzte, erorketa libreko baldintzak eskaintzen baitituzte eremuen eragin askoz txikiagoarekin. Gainera, Bose-Einstein kondentsatuek (BEC) picoKelvin barrutian tenperatura hotzagoetara iristen eta iraupen luzeagoan izaten laguntzen du. Efektu garbia behaketa denbora luzatzea da, beraz, ikasteko aukera hobea. Horrek espazioan hedatutako atomo ultrahotzei zehaztasun handiko neurtzeko ahalmenak ematen dizkie eta supersentsore bihurtzen dituzte.
Espazioan zabaldutako atomo ultrahotzetako interferometroek grabitatearen aldakuntza oso sotilak hauteman ditzakete, dentsitateen aldakuntzaren adierazgarri direnak. Honek planetaren gorputzen konposizioa eta edozein masa-aldaketa aztertzen lagun dezake.
Grabitatearen zehaztasun handiko neurketak materia iluna eta energia iluna hobeto ulertzen lagun dezake eta unibertso behagarria deskribatzen duten Erlatibitate Orokorraren eta Eredu Estandarretik haratagoko indar sotilen esplorazioan ere lagun dezake.
Erlatibitate Orokorra eta Eredu Estandarra unibertso behagarria deskribatzen duten bi teoriak dira. Partikulen fisikaren eredu estandarra, funtsean, eremuen teoria kuantikoa da. Unibertsoaren % 5 bakarrik deskribatzen du, gainerako % 95 ulertzen ez ditugun forma ilunetan dago (materia iluna eta energia iluna). Eredu Estandarrak ezin du materia iluna eta energia iluna azaldu. Ezin du materia-antimateria asimetria ere azaldu. Era berean, grabitatea ezin izan da oraindik beste eremuekin bateratu. Unibertsoaren errealitatea ez da guztiz azaltzen egungo teoriek eta ereduek. Azeleragailu eta behatoki erraldoiek ezin dute naturaren misterio horietako asko argitu. Sentsore zehatzenak diren heinean, espazioan oinarritutako atomo ultrahotzetako interferometroek aukera eskaintzen diete ikertzaileei galdera hauek arakatzeko unibertsoaren ulermenaren hutsunea betetzeko.
***
References:
- Meystre, Pierre 1997. Atomoak uhin bihurtzen direnean. Hemen eskuragarri https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Cold Atom Laboratory - Unibertso Misioak. Hemen eskuragarri https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, et al. Bose-Einstein kondentsatuen behaketa Lurra orbitatzen ari den ikerketa-laborategi batean. Natura 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Gas-nahaste kuantikoak eta espezie bikoitzeko atomoen interferometria espazioan. Natura 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Williams, JR, et al 2024. Pathfinder-ek atomo-interferometriarekin esperimentatu zuen Cold Atom Lab-en Nazioarteko Espazio Estazioan. Nat Commun 15, 6414. Argitaratua: 13ko abuztuaren 2024a. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Aurreinprimatutako bertsioa https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- NASAk "Ultra-Cool" sentsore kuantikoa frogatu du espazioan lehen aldiz. 13ko abuztuaren 2024an argitaratua. Hemen dago eskuragarri https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
