Eksperimentā, kas veikts simtiem jūdžu virs Zemes, pētnieki aptuveni 20 000 rubīdija atomu ievietoja stāvoklī, kur to izplešanās enerģija atbilda temperatūrai tikai 9,7 triljonu grāda daļu virs absolūtās nulles. Iepriekšējais rekords — 38 pikokelvini — tika sasniegts 2021. gadā. Jaunais eksperiments ne tikai pazemināja temperatūras rekordu, bet arī ļāva atomu mākoņa izplešanos novērot daudz ilgāk nekā iepriekš.

Absolūtā nulle ir teorētiskā temperatūras robeža, pie kuras sistēmai vairs nebūtu pieejama siltumenerģija. To sasniegt nav iespējams, tomēr mēģinājumi tai pietuvoties jau vairākus gadu desmitus ir būtiski mainījuši fiziku.

Ceļš līdz īpaši aukstai vielai

1995. gada jūnijā ASV Nacionālā standartu un tehnoloģiju institūta un Kolorādo Universitātes Boulderā pētnieki atdzesēja rubīdiju līdz 20 miljardajām grāda daļām virs absolūtās nulles. No atomiem tika aizvadīts pietiekami daudz siltumenerģijas, lai izveidotu jaunu vielas stāvokli — Bozes–Einšteina kondensātu.

Pietiekami zemā temperatūrā vairāki atomi ieņem vienu un to pašu kvantu stāvokli un faktiski sāk uzvesties kā viens vielas vilnis. Tas ļauj parādības, ko parasti novēro tikai atsevišķu daļiņu mērogā, pētīt daudz lielākā mērogā. Mūsdienās Bozes–Einšteina kondensāti ir kļuvuši par standarta instrumentu fizikā, taču pētnieki turpinājuši meklēt veidus, kā šo vielu vēl vairāk atdzesēt un kontrolēt.

2003. gadā Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta vadīta komanda ar magnētiskas lamatas palīdzību atdzesēja nātriju līdz 450 pikokelviniem. Metode balstās uz lamatas vājināšanu, ļaujot visenerģiskākajiem atomiem aizbēgt un aiznest līdzi daļu siltuma. Tomēr magnētiskās lamatas ietekmē ieslodzīto atomu īpašību, ko sauc par spinu. Tāpēc iespēja vēl vairāk atbrīvot atomu mākoni, vienlaikus mazinot magnētiskā lauka ietekmi, varētu dot iespēju sasniegt vēl zemākas temperatūras.

Kāpēc vajadzīga orbīta

2021. gadā Brēmenes Universitātes pētnieki izmantoja brīvo kritienu, lai kompensētu gravitācijas ietekmi, un sasniedza efektīvo temperatūru 38 pikokelvini. Eksperimentā ar pilienu torni rubīdija mākonis uz pietiekami ilgu laiku kļuva praktiski bezsvara stāvoklī, ļaujot magnētiskajai lēcai to izplest un atdzesēt.

Orbīta nodrošina ilgāku laika posmu šādam eksperimentam. Jaunākajā mēģinājumā pētnieki izmantoja krustotus lāzera starus, lai atomus noturētu optiskā dipola slazdā. Atšķirībā no magnētiskajām lamatām šādi slazdi ierobežo atomus stāvoklī, kas nav jutīgs pret magnētisko lauku.

Ar vairāku lāzeru palīdzību pētnieki palēnināja ātri kustīgos atomus un izmantoja iztvaikošanas dzesēšanu, izveidojot kondensātu. Tas nebija pirmais šāda veida kondensāts orbītā — šāds sasniegums jau tika reģistrēts Starptautiskajā kosmosa stacijā 2020. gadā. Taču nākamais eksperimenta posms bija jauns.

Izmantojot maigu gradientu magnētiskajā laukā, komanda izvadīja no mākoņa vēl ātrāk kustīgos atomus. Atlikušos lēnākos atomus pārnesa uz otru, plašāku optisko slazdu un samazināja tā stiprumu, pakāpeniski atbrīvojot mākoni. Uz Zemes gravitācija atomus aizvilktu prom, bet orbitālā brīvā kritiena apstākļos pētnieki varēja šo ierobežojumu atslābināt daudz vairāk.

No diviem virzieniem uzņemtie attēli parādīja, cik ātri mākonis izplatās pa trim asīm. Šie mērījumi liecināja, ka temperatūra bija no 7,0 līdz 12,9 pikokelviniem. Pētnieki norāda, ka šis ārkārtīgi zemais skaitlis ir aprēķins, kas balstīts uz mākoņa izplešanās enerģiju, nevis parasta termometra rādījums.

Ko rekords var dot turpmākajiem pētījumiem

Lēnāka izplešanās ir būtiska, jo tā dod fiziķiem vairāk laika izpētīt mākoņa kvantu uzvedību, pirms tas kļūst pārāk izkliedēts, lai būtu izmantojams. Šajā eksperimentā pētniekiem bija pieejamas aptuveni septiņas sekundes.

Zemāka temperatūra un ilgāks novērošanas laiks varētu palīdzēt eksperimentos ar interferometriem. Šīs ierīces sadala un pēc tam atkal apvieno vielas viļņus, lai atklātu niecīgas atšķirības to ceļos.

Šādi instrumenti varētu pārbaudīt, vai dažādi atomi krīt identiski. Tas savukārt nodrošinātu jaunus veidus, kā pārbaudīt vispārīgo relativitāti. Precīzi veidoti lāzera lauki šo platformu varētu pārvērst arī par neparastu kvantu stāvokļu simulatoru.

Lai gan absolūto nulli sasniegt nav iespējams, jaunā metode var paplašināt to, ko fiziķi spēj uzzināt, gandrīz pilnībā apturot vielas kustību.