Китайские ученые зафиксировали новый температурный рубеж в ходе эксперимента, проведенного на борту орбитальной станции «Тяньгун». В результате удалось создать облако атомов рубидия с эффективной температурой, равной 9,7 пикокельвинам. Этот показатель примерно на четырнадцать порядков ниже температуры окружающей среды и лишь на долю кельвина превышает абсолютный ноль.

Исследование осуществлялось при помощи специализированного оборудования для изучения сверххолодных атомов, расположенного в лабораторном модуле «Мэнтянь». Специалисты сформировали конденсат Бозе — Эйнштейна, включающий приблизительно 20 тысяч атомов рубидия, и достигли беспрецедентно медленного расширения атомного облака. Наблюдение за его свободным расширением продолжалось семь секунд, в то время как предыдущий рекорд для аналогичной температуры составлял 38 пикокельвинов при времени расширения в две секунды.

Ключевым техническим прорывом стало применение полностью оптической системы для удержания и охлаждения атомов. Ученые использовали лазерное и испарительное охлаждение в оптических ловушках, а затем дополнительно снизили кинетическую энергию частиц посредством контролируемого расширения облака. Микрогравитация позволяет избежать осаждения атомов под воздействием земного притяжения, что дает возможность использовать менее интенсивные удерживающие поля и более продолжительное наблюдение за квантовой системой.

Зафиксированное значение в 9,7 пикокельвина отражает не температуру всей экспериментальной установки, а крайне малую кинетическую энергию расширяющегося атомного облака. В таких условиях скорость движения частиц становится настолько низкой, что их квантовые характеристики можно изучать с минимальными помехами. Конденсат Бозе — Эйнштейна представляет собой уникальное состояние вещества, в котором большое количество атомов переходит в единое квантовое состояние и проявляет коллективные свойства.

Реализация орбитальной установки потребовала преодоления ряда непростых инженерных вызовов. По информации, предоставленной Китайской академией наук, учёные смогли сократить габариты наземной экспериментальной системы до 0,7 кубического метра, уменьшив её с первоначальных 20, а также снизить массу с 10 тонн до 500 килограммов. Оборудование, доставленное на станцию в октябре 2022 года, включает в себя высоковакуумную систему, лазерное оборудование и механизмы точной коррекции оптических полей, обеспечивающие его работоспособность после выведения на орбиту и во время продолжительного пребывания в космическом пространстве.

Данное достижение создаёт перспективу для проведения более длительных экспериментов с квантовыми газами и осуществления высокоточных измерений непосредственно в космосе. Ученые планируют применять подобные системы для изучения квантовых фазовых переходов, взаимодействия между частицами и проверки основополагающих физических принципов. Среди возможных практических применений – атомные интерферометры, сверхчувствительные датчики ускорения и гравитации, а также инновационные средства инерциальной навигации; впрочем, само тестирование этих устройств не проводилось в рамках представленного исследования.

Результаты исследованияРезультаты работы, выполненной специалистами Пекинского университета и Китайской академии наук, были опубликованы в журнале Science.