Materie heeft een tweeledig karakter; alles bestaat zowel als deeltje als als golf. Bij een temperatuur dicht bij het absolute nulpunt wordt het golfkarakter van atomen waarneembaar door straling in het zichtbare bereik. Bij zulke ultrakoude temperaturen in het nanoKelvin-bereik vloeien de atomen samen tot een enkele grotere entiteit en gaan ze over naar de vijfde toestand, Bose Eisenstein Condensaat (BEC) genaamd, die zich gedraagt als een golf in een groot pakket. Zoals alle golven vertonen atomen in deze toestand het fenomeen van interferentie en de interferentiepatronen van atoomgolven kunnen in de laboratoria worden bestudeerd. Atoominterferometers die in de microzwaartekrachtomgeving van de ruimte worden ingezet, fungeren als een uiterst nauwkeurige sensor en bieden de mogelijkheid om de meest zwakke versnellingen te meten. Het Cold Atom Laboratory (CAL) ter grootte van een minikoelkast, dat in een baan om de aarde draait aan boord van het International Space Station (ISS), is een onderzoeksfaciliteit voor de studie van ultrakoude kwantumgassen in de microzwaartekrachtomgeving van de ruimte. Het werd een paar jaar geleden geüpgraded met Atom Interferometer. Volgens het rapport dat op 13 augustus 2024 is gepubliceerd, hebben onderzoekers met succes pathfinder-experimenten uitgevoerd. Ze konden de trillingen van het ISS meten met behulp van een Mach-Zehnder-interferometer met drie pulsen aan boord van de CAL-faciliteit. Dit was de eerste keer dat een kwantumsensor in de ruimte werd gebruikt om veranderingen in de directe omgeving te detecteren. Het tweede experiment omvatte het gebruik van Ramsey-shear-wave-interferometrie om interferentiepatronen in één run te manifesteren. De patronen waren gedurende een vrije expansietijd van meer dan 150 ms waarneembaar. Dit was de langste demonstratie van het golfkarakter van atomen in vrije val in de ruimte. Het onderzoeksteam heeft ook de terugslag van de Bragg-laserfotonen gemeten als demonstratie van de eerste kwantumsensor die atoominterferometrie in de ruimte gebruikt. Deze ontwikkelingen zijn aanzienlijk. Als de meest nauwkeurige sensoren kunnen de in de ruimte gestationeerde ultrakoude atoominterferometers extreem zwakke versnellingen meten en bieden ze daarom mogelijkheden voor onderzoekers om de vragen te onderzoeken (zoals donkere materie en donkere energie, materie-antimaterie-asymmetrie, unificatie van zwaartekracht met andere velden) dat de algemene relativiteitstheorie en het standaardmodel van de deeltjesfysica de leemte in ons begrip van het universum niet kunnen verklaren en opvullen.
Golven vertonen het fenomeen van interferentie, dat wil zeggen dat twee of meer coherente golven samen een resulterende golf veroorzaken die een hogere of lagere amplitude kan hebben, afhankelijk van de fasen van de combinerende golven. In het geval van licht zien we resulterende golven in de vorm van donkere en lichte randen.
Interferometrie is een methode voor het meten van kenmerken met behulp van het fenomeen interferentie. Het gaat om het splitsen van de invallende golf in twee bundels die verschillende paden afleggen en vervolgens worden gecombineerd om resulterende interferentiepatronen of randen te vormen (in het geval van licht). Het resulterende interferentiepatroon is gevoelig voor veranderingen in de omstandigheden van de reispaden van de bundels. Elke verandering in de lengte van het reispad of in welk veld dan ook in relatie tot de golflengte beïnvloedt bijvoorbeeld het interferentiepatroon en kan worden gebruikt voor metingen.
de Broglie-golf of materiegolf
Materie heeft een tweeledig karakter; het bestaat zowel als deeltje als als golf. Elk bewegend deeltje of object heeft een golfkarakteristiek, gegeven door de Broglie-vergelijking
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
waarbij λ de golflengte is, h de constante van Planck is, m de massa is, v de snelheid van het deeltje is, p het momentum is, K de constante van Boltzmann is en T de temperatuur in Kelvin is.
De thermische de Broglie-golflengte is omgekeerd evenredig met de vierkantswortel van de temperatuur in Kelvin, wat betekent dat λ groter zal zijn bij lagere temperaturen.
Studie van ultrakoude atoomgolven
Voor een typisch atoom is de de Broglie-golflengte bij kamertemperatuur in de orde van angstrom (10-10 m) nl. 0.1 nanometer (1 nm=10-9 M). Een straling van een bepaalde golflengte kan details in hetzelfde groottebereik oplossen. Licht kan geen details oplossen die kleiner zijn dan zijn golflengte. Daarom kan een typisch atoom bij kamertemperatuur niet worden afgebeeld met zichtbaar licht met een golflengte in het bereik van ongeveer 400 nm tot 700 nm. Röntgenstralen kunnen dat wel doen vanwege het golflengtebereik van Angström, maar de hoge energie ervan vernietigt juist de atomen die het zou moeten waarnemen. Daarom ligt de oplossing in het verlagen van de temperatuur van het atoom (tot onder de 10-6 Kelvin) zodat de de Broglie-golflengten van de atomen toenemen en vergelijkbaar worden met de golflengten van zichtbaar licht. Bij ultrakoude temperaturen wordt het golfkarakter van de atomen meetbaar en relevant voor interferometrie.
Naarmate de temperatuur van atomen verder wordt verlaagd in het nanokelvin-bereik (10-9 Kelvin) bereik tot ongeveer 400 nK, gaan de atomaire bosonen over naar de vijfde toestand van de materie, genaamd Bose-Einstein-condensaat (BCE). Bij zulke ultralage temperaturen nabij het absolute nulpunt, wanneer de thermische bewegingen van deeltjes extreem verwaarloosbaar worden, vloeien de atomen samen tot één grotere entiteit die zich gedraagt als een golf in een groot pakket. Deze toestand van atomen biedt onderzoekers de mogelijkheid om kwantumsystemen op macroscopische schaal te bestuderen. De eerste atomaire BCE ontstond in 1995 in een gas van rubidiumatomen. Sindsdien heeft dit gebied veel technologische verbeteringen gekend. De moleculaire BEC van NaCs-moleculen is onlangs gemaakt bij een ultrakoude temperatuur van 5 nanoKelvin (nK).
Microzwaartekrachtomstandigheden in de ruimte zijn beter voor kwantummechanisch onderzoek
De zwaartekracht in de op aarde gebaseerde laboratoria vereist het gebruik van een magnetische val om de atomen op hun plaats te houden voor een effectieve koeling. De zwaartekracht beperkt ook de interactietijd met de BEC's in de terrestrische laboratoria. De vorming van BEC's in een microzwaartekrachtomgeving van in de ruimte gestationeerde laboratoria overwint deze beperkingen. Een microzwaartekrachtomgeving kan de interactietijd verlengen en verstoringen vanuit het toegepaste veld verminderen, waardoor kwantummechanisch onderzoek beter wordt ondersteund. BCE's worden nu routinematig gevormd onder microzwaartekrachtomstandigheden in de ruimte.
Cold Atom Laboratory (CAL) in het Internationale Ruimtestation (ISS)
Cold Atom Laboratory (CAL) is een multi-user onderzoeksfaciliteit gevestigd in het International Space Station (ISS) voor de studie van ultrakoude kwantumgassen in de microzwaartekrachtomgeving van de ruimte. CAL wordt op afstand bediend vanuit het operatiecentrum van het Jet Propulsion Laboratory.
Bij deze ruimtegebaseerde faciliteit is het mogelijk om observatietijden van meer dan 10 seconden te hebben en de ultrakoude temperaturen onder de 100 picoKelvin (1 pK = 10-12 Kelvin) voor de studie van kwantumverschijnselen.
Het Cold Atom Lab werd gelanceerd op 21 mei 2018 en werd eind mei 2018 op het ISS geïnstalleerd. In juli 2018 werd in deze in de ruimte gestationeerde faciliteit een Bose-Einstein-condensaat (BEC) gecreëerd. Dit was de eerste keer; een vijfde toestand van materie werd gecreëerd in een baan om de aarde. Later werd de faciliteit geüpgraded na de inzet van ultrakoude atoominterferometers.
CAL heeft de afgelopen jaren veel mijlpalen bereikt. Rubidium Bose-Einstein-condensaten (BEC's) werden in 2020 in de ruimte geproduceerd. Er werd ook aangetoond dat microzwaartekrachtomgeving gunstig is voor experimenten met koude atomen.
Vorig jaar, in 2023, produceerden onderzoekers BEC van twee soorten waaruit gevormd werd 87Rb en 41K en demonstreerde voor het eerst gelijktijdige atoominterferometrie met twee atoomsoorten in de ruimte in de Cold Atom Laboratory-faciliteit. Deze prestaties waren belangrijk voor kwantumtests van de universaliteit van vrije val (UFF) in de ruimte.
Recente vooruitgang in op de ruimte gebaseerde kwantumtechnologieën
Volgens het rapport dat op 13 augustus 2024 werd gepubliceerd, werkten onderzoekers 87Rb-atomen in de CAL-atoominterferometer en voerden met succes drie pathfinding-experimenten uit. Ze konden de trillingen van het ISS meten met behulp van een Mach-Zehnder-interferometer met drie pulsen aan boord van de CAL-faciliteit. Dit was de eerste keer dat een kwantumsensor in de ruimte werd gebruikt om veranderingen in de directe omgeving te detecteren. Het tweede experiment omvatte het gebruik van Ramsey-shear-wave-interferometrie om interferentiepatronen in één run te manifesteren. De patronen waren gedurende een vrije expansietijd van meer dan 150 ms waarneembaar. Dit was de langste demonstratie van het golfkarakter van atomen in vrije val in de ruimte. Het onderzoeksteam heeft ook de terugslag van de Bragg-laserfotonen gemeten als demonstratie van de eerste kwantumsensor die atoominterferometrie in de ruimte gebruikt.
Betekenis van ultrakoude atoominterferometers die in de ruimte worden ingezet
Atoominterferometers benutten de kwantumaard van atomen en zijn extreem gevoelig voor veranderingen in versnelling of velden en worden daarom gebruikt als instrumenten met hoge precisie. Op aarde gebaseerde atoominterferometers worden gebruikt om de zwaartekracht te bestuderen en in geavanceerde navigatietechnologieën.
In de ruimte gestationeerde atoominterferometers hebben de voordelen van een aanhoudende microzwaartekrachtomgeving die vrije valomstandigheden biedt met veel minder invloed van velden. Het zorgt er ook voor dat Bose-Einstein-condensaten (BEC's) koudere temperaturen in het picoKelvin-bereik bereiken en langer blijven bestaan. Het netto-effect is een langere observatietijd en dus betere mogelijkheden om te studeren. Dit geeft ultrakoude atoominterferometers die in de ruimte worden ingezet, uiterst nauwkeurige meetmogelijkheden en maakt ze tot supersensoren.
Ultrakoude atoominterferometers die in de ruimte worden ingezet, kunnen zeer subtiele variaties in de zwaartekracht detecteren, wat indicatief is voor variatie in dichtheden. Dit kan helpen bij het bestuderen van de samenstelling van planetaire lichamen en eventuele massaveranderingen.
Zeer nauwkeurige metingen van de zwaartekracht kunnen ook helpen bij het beter begrijpen van donkere materie en donkere energie en bij het onderzoeken van subtiele krachten die verder gaan dan de algemene relativiteitstheorie en het standaardmodel, die het waarneembare universum beschrijven.
Algemene relativiteitstheorie en het standaardmodel zijn de twee theorieën die het waarneembare universum beschrijven. Het standaardmodel van de deeltjesfysica is in feite de kwantumveldentheorie. Het beschrijft slechts 5% van het universum, de rest 95% bevindt zich in donkere vormen (donkere materie en donkere energie) die we niet begrijpen. Het Standaardmodel kan donkere materie en donkere energie niet verklaren. Het kan ook de asymmetrie tussen materie en antimaterie niet verklaren. Op dezelfde manier kon de zwaartekracht nog niet worden verenigd met de andere velden. De realiteit van het universum wordt niet volledig verklaard door de huidige theorieën en modellen. Reusachtige versnellers en observatoria zijn niet in staat licht te werpen op veel van deze mysteries van de natuur. Als de meest nauwkeurige sensoren bieden de in de ruimte gestationeerde ultrakoude atoominterferometers mogelijkheden voor onderzoekers om deze vragen te onderzoeken en zo de leemte in ons begrip van het universum op te vullen.
***
Referenties:
- Meystre, Pierre 1997. Wanneer atomen golven worden. Verkrijgbaar bij https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Cold Atom Laboratory – Universummissies. Verkrijgbaar bij https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, et al. Observatie van Bose-Einstein-condensaten in een onderzoekslaboratorium in een baan om de aarde. Natuur 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Kwantumgasmengsels en interferometrie van atomen met twee soorten in de ruimte. Natuur 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Williams, JR, c.s. 2024. Pathfinder experimenteert met atoominterferometrie in het Cold Atom Lab aan boord van het internationale ruimtestation. Nat Commun 15, 6414. Gepubliceerd: 13 augustus 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Voorgedrukte versie https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- NASA demonstreert voor het eerst 'ultra-coole' kwantumsensor in de ruimte Gepubliceerd 13 augustus 2024.Verkrijgbaar op https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
