Rörelsen hos fritt fallande kroppar är oberoende av deras sammansättning. Detta är en av grunderna för Einsteins ekvivalensprincip (EEP), som underbygger vår moderna förståelse av gravitation. Denna princip är dock under ständig granskning. Alla kränkningar av den skulle ge oss ledtrådar i vårt sökande efter mörk energi och mörk materia, samtidigt som vi vägleder vår förståelse av svarta hål och andra system där gravitation och kvantmekanik möts.

Forskare från USA, Frankrike och Tyskland har nu skapat ett nytt system för att testa EEP: en blandning av två ultrakalla kvantgaser som kretsar runt jorden ombord på den internationella rymdstationen (ISS). De demonstrerade också den första dubbelartade atominterferometern i rymden, som de beskriver som ett "viktigt steg" mot att testa EEP. Frågan de siktar på att besvara med detta experiment är enkel: faller två atomer med olika massa i samma takt?

Kalla atomer på ISS

ISS är hem för Cold Atom Laboratory (CAL), som är en "lekplats" för atomer i rymden. Lanserades 2018 och skapade 2020 det första rymdburna Bose-Einstein Condensate (BEC) – ett speciellt materiatillstånd som uppnås efter att atomerna kylts till temperaturer strax över absolut noll. Denna första kvantgas bestod av ultrakalla rubidiumatomer, men efter en uppgradering 2021 är CAL också värd för en mikrovågskälla för att göra kvantgaser av kaliumatomer.

I det senaste verket, som beskrivs i Natur, genererade CAL-forskarna en kvantblandning av båda arterna på ISS. "Att generera denna kvantblandning i rymden är ett viktigt steg mot att utveckla mätningar med hög precision för att testa Einsteins ekvivalensprincip", säger Gabriel Müller, en doktorand vid Leibniz University i Hannover, Tyskland som är involverad i experimentet.

För att uppnå denna blandning stängde teamet in rubidiumatomer i en magnetfälla och lät de mest energiska "heta" atomerna avdunsta ur fällan och lämnade de "kalla" atomerna bakom sig. Detta leder så småningom till en fasövergång till en kvantgas när atomerna faller under en viss kritisk temperatur.

Även om denna process också fungerar för kaliumatomer, är det inte enkelt att avdunsta båda arterna i samma fälla samtidigt. Eftersom den inre energistrukturen hos rubidium- och kaliumatomer är olika, varierar deras initiala temperaturer i fällan, och så kommer de optimala förhållandena för fällan och den avdunstningstid som behövs för att nå den kritiska temperaturen. Som ett resultat var forskarna tvungna att vända sig till en annan lösning. "Kaliumkvantgasen genereras inte via evaporativ kylning, utan kyls snarare "sympatiskt" via direkt termisk kontakt med den förångade ultrakalla rubidiumgasen, förklarar Müller.

Att generera denna kvantgas i rymden har sina fördelar, tillägger han. "På jorden finns det en gravitationssänkning, vilket betyder att två atomer med olika massa inte kommer att vara på samma plats i fällan. I rymden, å andra sidan, är gravitationsinteraktionen svag, och de två arterna överlappar varandra.” Denna aspekt av att arbeta i mikrogravitation är väsentlig för att utföra experiment som syftar till att observera interaktioner mellan de två arterna som annars skulle kapas av gravitationens effekter på jorden.

Kvanttillståndsteknikens avgörande roll

Att producera en kvantblandning av rubidium- och kaliumatomer tar CAL-teamet ett steg närmare att testa EEP, men andra delar av experimentet måste fortfarande tämjas. Till exempel, även om de två arterna överlappar varandra i fällan, när de släpps från den, är deras initiala positioner något annorlunda. Müller förklarar att detta delvis beror på att egenskaperna hos varje atomart leder till olika dynamik, men det beror också på att fällutsläppet inte är momentant, vilket betyder att en av arterna upplever en kvarvarande magnetisk kraft i förhållande till den andra. Sådana systematiska effekter kan lätt framstå som ett brott mot EEP om de inte tas om hand på rätt sätt.

Av denna anledning har forskarna riktat sin uppmärksamhet mot att karakterisera systematiken i deras fälla och minska oönskat buller. "Detta är ett arbete som aktivt görs i Hannover för att skapa välkonstruerade ingångstillstånd för båda arterna, vilket kommer att vara avgörande eftersom du behöver liknande initiala förhållanden innan du startar interferometern", säger Müller. En lösning på det initiala positionsproblemet, tillägger han, skulle vara att långsamt transportera båda arterna till en enda position innan den magnetiska fällan stängs av. Även om detta kan göras med hög precision, kommer det på bekostnad av att värma upp atomerna och förlora några av dem. Forskarna hoppas därför kunna använda maskininlärning för att optimera transportmekanismen och därigenom uppnå liknande kontroll av atomdynamiken, men mycket snabbare.

Dubbelart atominterferometer i rymden

När dessa problem är lösta, skulle nästa steg vara att utföra ett EEP-test med atominterferometri med dubbla arter. Detta innebär att man använder ljuspulser för att skapa en sammanhängande överlagring av de två ultrakalla atommolnen, för att sedan rekombinera dem och låta dem störa efter en viss fri utvecklingstid. Interferensmönstret innehåller värdefull information om blandningens acceleration, från vilken forskarna kan extrahera om båda arterna upplevde samma gravitationsacceleration.

En begränsande faktor i denna teknik är hur väl positionerna för laserstrålen och atomprovet överlappar varandra. "Det här är den svåraste delen", betonar Müller. Ett problem är att vibrationer på ISS får lasersystemet att vibrera, vilket introducerar fasbrus i systemet. En annan fråga är att den olika massan och atomenerginivåstrukturen för båda arterna leder till att de reagerar olika på vibrationsbruset, vilket ger en avfasning mellan de två atominterferometrarna.

I det senaste arbetet visade forskarna samtidig atominterferometri av blandningen och mätte en relativ fas mellan interferensmönstret för rubidium- och kaliumatomerna. De är dock väl medvetna om att en sådan fas sannolikt beror på de bullerkällor de tar itu med, snarare än ett brott mot EPP.

Framtida uppdrag

En ny vetenskapsmodul lanserades till ISS med målet att öka antalet atomer, förbättra laserkällorna och implementera nya algoritmer i experimentsekvensen. Men i grund och botten strävar CAL-forskarna efter att demonstrera tröghetsprecisionsmätningar som ligger bortom den nuvarande teknikens ståndpunkt. "Sådana insikter är viktiga milstolpar mot framtida satellituppdrag som testar universaliteten av fritt fall till oöverträffade nivåer", säger Hannovers Naceur Gaaloul, en medförfattare till den senaste tidningen.

Ett exempel Gaaloul nämner är förslaget STE-QUEST (Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test), som skulle vara känsligt för skillnader i acceleration på så lite som 10^-17 Fröken². Denna precision motsvarar att tappa ett äpple och en apelsin och efter en sekund mäta skillnaden i deras position inom en protons radie. Rymden är, känt, hårt, men atominterferometri i rymden är ännu svårare.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/