Bevegelsen til fritt fallende kropper er uavhengig av deres sammensetning. Dette er et av grunnlaget for Einsteins ekvivalensprinsipp (EEP), som underbygger vår moderne forståelse av tyngdekraften. Dette prinsippet er imidlertid under konstant gransking. Eventuelle brudd på den vil gi oss hint i vår søken etter mørk energi og mørk materie, samtidig som den veileder vår forståelse av sorte hull og andre systemer der gravitasjon og kvantemekanikk møtes.

Forskere fra USA, Frankrike og Tyskland har nå laget et nytt system for å teste EEP: en blanding av to ultrakalde kvantegasser som går i bane rundt jorden ombord på den internasjonale romstasjonen (ISS). De demonstrerte også det første atominterferometeret med to arter i verdensrommet, som de beskriver som et "viktig skritt" mot å teste EEP. Spørsmålet de tar sikte på å svare på med dette eksperimentet er enkelt: faller to atomer med forskjellig masse i samme hastighet?

Kalde atomer på ISS

ISS er hjemmet til Cold Atom Laboratory (CAL), som er en "lekeplass" for atomer i verdensrommet. Lansert i 2018, i 2020 skapte det det første rombårne Bose-Einstein-kondensatet (BEC) – en spesiell materietilstand oppnådd etter avkjøling av atomer til temperaturer like over absolutt null. Denne første kvantegassen besto av ultrakalde rubidiumatomer, men etter en oppgradering i 2021 er CAL også vert for en mikrobølgekilde for å lage kvantegasser av kaliumatomer.

I det siste verket, som er beskrevet i Natur, genererte CAL-forskerne en kvanteblanding av begge artene på ISS. "Å generere denne kvanteblandingen i rommet er et viktig skritt mot å utvikle høypresisjonsmålinger for å teste Einsteins ekvivalensprinsipp," sier Gabriel Müller, en PhD-student ved Leibniz University i Hannover, Tyskland som er involvert i eksperimentet.

For å oppnå denne blandingen begrenset teamet rubidiumatomer i en magnetisk felle og lot de mest energiske "varme" atomene fordampe ut av fellen, og etterlot de "kalde" atomene. Dette fører til slutt til en faseovergang til en kvantegass når atomene faller under en viss kritisk temperatur.

Selv om denne prosessen også fungerer for kaliumatomer, er det ikke enkelt å fordampe begge artene i samme felle samtidig. Siden den indre energistrukturen til rubidium- og kaliumatomer er forskjellig, varierer deres begynnelsestemperaturer i fellen, og det vil også de optimale forholdene til fellen og fordampningstiden som trengs for å nå den kritiske temperaturen. Som et resultat måtte forskerne vende seg til en annen løsning. "Kaliumkvantegassen genereres ikke via fordampende kjøling, men avkjøles snarere 'sympatisk' via direkte termisk kontakt med den fordampede ultrakalde rubidiumgassen," forklarer Müller.

Å generere denne kvantegassen i verdensrommet har sine fordeler, legger han til. «På jorden er det en gravitasjonssag, noe som betyr at to atomer med forskjellige masser ikke vil være på samme posisjon i fellen. I verdensrommet, derimot, er gravitasjonsinteraksjonen svak, og de to artene er overlappet.» Dette aspektet ved å arbeide i mikrogravitasjon er avgjørende for å utføre eksperimenter som tar sikte på å observere interaksjoner mellom de to artene som ellers ville blitt kapret av tyngdekraftens virkning på jorden.

Den avgjørende rollen til quantum state engineering

Å produsere en kvanteblanding av rubidium- og kaliumatomer bringer CAL-teamet et skritt nærmere å teste EEP, men andre elementer i eksperimentet må fortsatt temmes. For eksempel, selv om de to artene overlapper hverandre i fellen, når de slippes ut fra den, er deres utgangsposisjoner litt forskjellige. Müller forklarer at dette delvis skyldes at egenskapene til hver atomart fører til ulik dynamikk, men det er også på grunn av at felleutløsningen ikke er øyeblikkelig, noe som betyr at en av artene opplever en gjenværende magnetisk kraft i forhold til den andre. Slike systematiske effekter kan lett fremstå som et brudd på EEP hvis de ikke blir tatt godt vare på.

Av denne grunn har forskerne rettet oppmerksomheten mot å karakterisere systematikken til fellen deres og redusere uønsket støy. "Dette er et arbeid som aktivt gjøres i Hannover, for å skape velkonstruerte inngangstilstander for begge artene, noe som vil være avgjørende siden du trenger lignende startforhold før du starter interferometeret," sier Müller. En løsning på startposisjonsproblemet, legger han til, ville være å sakte transportere begge artene til en enkelt posisjon før man slår av magnetfellen. Selv om dette kan gjøres med høy presisjon, går det på bekostning av å varme opp atomene og miste noen av dem. Forskerne håper derfor å bruke maskinlæring for å optimalisere transportmekanismen og derved oppnå tilsvarende kontroll over atomdynamikken, men mye raskere.

Dual-species atom interferometer i verdensrommet

Når disse problemene er løst, vil neste trinn være å utføre en EEP-test ved å bruke to-arts atominterferometri. Dette innebærer å bruke lyspulser for å lage en sammenhengende superposisjon av de to ultrakalde atomskyene, for så å rekombinere dem og la dem forstyrre etter en viss fri utviklingstid. Interferensmønsteret inneholder verdifull informasjon om blandingens akselerasjon, som forskerne kan trekke ut om begge artene opplevde samme gravitasjonsakselerasjon.

En begrensende faktor i denne teknikken er hvor godt posisjonene til laserstrålen og atomprøven overlapper hverandre. "Dette er den vanskeligste delen," understreker Müller. Et problem er at vibrasjoner på ISS får lasersystemet til å vibrere, og introduserer fasestøy i systemet. Et annet problem er at den forskjellige masse- og atomenerginivåstrukturen til begge artene fører til at de reagerer forskjellig på vibrasjonsstøyen, og produserer en defasering mellom de to atominterferometrene.

I det siste arbeidet demonstrerte forskerne samtidig atominterferometri av blandingen og målte en relativ fase mellom interferensmønsteret til rubidium- og kaliumatomene. Imidlertid er de godt klar over at en slik fase sannsynligvis skyldes støykildene de takler, snarere enn et brudd på EPP.

Fremtidige oppdrag

En ny vitenskapsmodul ble lansert til ISS med mål om å øke antallet atomer, forbedre laserkildene og implementere nye algoritmer i den eksperimentelle sekvensen. I bunn og grunn streber CAL-forskerne etter å demonstrere treghetspresisjonsmålinger som er høyere enn den nåværende teknikkens stand. "Slike erkjennelser er viktige milepæler mot fremtidige satellittoppdrag som tester universaliteten til fritt fall til enestående nivåer," sier Hannover. Naceur Gaaloul, en medforfatter av den nylige artikkelen.

Et eksempel Gaaloul nevner er STE-QUEST (Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test) forslaget, som vil være følsomt for forskjeller i akselerasjon på så lite som 10^-17 m / s². Denne presisjonen tilsvarer å slippe et eple og en appelsin og etter ett sekund måle forskjellen i deres posisjon til innenfor radiusen til et proton. Rommet er, kjent, vanskelig, men atominterferometri i rommet er enda vanskeligere.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/