物质具有双重性质；一切事物都以粒子和波的形式存在。在接近绝对零度的温度下，原子的波动性质可以通过可见光范围内的辐射观察到。在纳开尔文范围内的这种超低温下，原子聚结成一个更大的实体，并过渡到第五种状态，称为玻色艾森斯坦凝聚态 (BEC)，其行为就像一个大包中的波。与所有波一样，处于这种状态的原子显示出干涉现象，原子波的干涉图案可以在实验室中研究。部署在太空微重力环境中的原子干涉仪可充当极其精确的传感器，并提供测量最微弱加速度的机会。国际空间站 (ISS) 上绕地球运行的迷你冰箱大小的冷原子实验室 (CAL) 是一个研究空间微重力环境中超冷量子气体的研究设施。几年前，它升级了原子干涉仪。根据 13 年 2024 月 150 日发布的报告)，研究人员已成功进行了探路者实验。他们使用 CAL 设备上的三脉冲马赫-曾德尔干涉仪测量国际空间站的振动。这是首次在太空中使用量子传感器探测周围环境的变化。第二个实验使用拉姆齐剪切波干涉仪在一次运行中显示干涉图案。这些图案在超过 XNUMX 毫秒的自由膨胀时间内均可观察到。这是对太空中自由落体原子波动性质的最长展示。研究小组还测量了布拉格激光光子反冲，作为第一个使用原子干涉仪在太空中的量子传感器的展示。这些进展意义重大。作为最精确的传感器，太空超冷原子干涉仪可以测量极其微弱的加速度，从而为研究人员提供机会探索广义相对论和粒子物理标准模型无法解释的问题（例如暗物质和暗能量、物质-反物质不对称、引力与其他场的统一），并填补了我们对宇宙理解的空白。
波表现出干涉现象，即两个或多个相干波组合产生合成波，合成波的振幅可能更高或更低，具体取决于组合波的相位。对于光，我们可以看到合成波呈明暗条纹形式。
干涉测量法是一种利用干涉现象测量特性的方法。该方法涉及将入射波分成两束，每束沿不同的路径传播，然后合并形成干涉图案或条纹（就光而言）。干涉图案对光束传播路径条件的变化很敏感，例如，传播路径长度的任何变化或与波长相关的任何场都会影响干涉图案，可用于测量。
德布罗意波或物质波
物质具有双重性质；它既以粒子的形式存在，又以波的形式存在。每个运动粒子或物体都具有德布罗意方程给出的波动特性
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
其中 λ 是波长，h 是普朗克常数，m 是质量，v 是粒子速度，p 是动量，K 是玻尔兹曼常数，T 是开尔文温度。
热德布罗意波长与开尔文温度的平方根成反比，这意味着在温度较低时 λ 会较大。
超冷原子波研究
对于典型的原子来说，室温下的德布罗意波长为埃（10 - 10 m) 即。 0.1纳米（1纳米=10 - 9 m)。给定波长的辐射可以分辨相同尺寸范围内的细节。光无法分辨小于其波长的细节，因此室温下的典型原子无法使用波长范围约为 400 nm 至 700 nm 的可见光进行成像。X 射线可以做到这一点，因为它的波长范围为埃，但它的高能量会破坏它应该观察的原子。因此，解决方案在于降低原子的温度（至 10 以下 - 6 温度升高到 100 开尔文，原子的德布罗意波长随之增加，与可见光波长相当。在超低温下，原子的波动性质变得可测量，并且与干涉测量相关。
随着原子温度进一步降低至纳开尔文范围（10 - 9 在 400 开尔文（1995 开尔文）到 XNUMX nK 左右的温度范围内，原子玻色子会过渡到第五态物质，称为玻色-爱因斯坦凝聚态（BCE）。在接近绝对零度的超低温下，粒子的热运动变得非常微不足道，原子会聚结成一个更大的实体，表现为一个大包中的波。这种原子状态为研究人员提供了研究宏观量子系统的机会。第一个原子 BCE 于 XNUMX 年在铷原子气体中产生。从那时起，该领域的技术取得了许多进步。 分子BEC NaCs 分子最近在 5 纳开尔文 (nK) 的超低温下被创造出来。
太空微重力条件更利于量子力学研究
地球实验室的重力需要使用磁阱将原子固定在适当位置以实现有效冷却。重力还限制了与地面实验室中 BEC 的相互作用时间。在太空实验室微重力环境中形成 BEC 克服了这些限制。微重力环境可以增加相互作用时间并减少来自应用场的干扰，从而更好地支持量子力学研究。BCE 现在通常在太空微重力条件下形成。
国际空间站 (ISS) 的冷原子实验室 (CAL)
冷原子实验室 (CAL) 是一个位于国际空间站 (ISS) 的多用户研究设施，用于研究太空微重力环境下的超冷量子气体。CAL 由喷气推进实验室的操作中心远程操作。
在这个太空设施中，观测时间可以超过 10 秒，超低温可以达到 100 皮开尔文 (1 pK= 10-12 开尔文（Kelvin）是研究量子现象的单位。
冷原子实验室于 21 年 2018 月 2018 日发射，并于 2018 年 XNUMX 月底安装在国际空间站上。XNUMX 年 XNUMX 月，该太空设施中产生了玻色-爱因斯坦凝聚态 (BEC)。这是第一次在地球轨道上产生第五种物质状态。后来，该设施在部署超冷原子干涉仪后进行了升级。
近年来，冷原子物理中心取得了许多里程碑式的成就。2020 年，铷原子玻色-爱因斯坦凝聚态 (BEC) 在太空中诞生。同时还证明了微重力环境有利于冷原子实验。
去年，也就是 2023 年，研究人员生产出了由 87Rb和 41K，并在冷原子实验室设施中首次展示了太空中两种原子同时进行的原子干涉测量。这些成果对于太空中自由落体（UFF）普适性的量子测试具有重要意义。
太空量子技术的最新进展
根据 13 年 2024 月 XNUMX 日发布的报告），研究人员 87CAL 原子干涉仪中测量了 Rb 原子，并成功进行了三次寻路实验。他们可以使用 CAL 设施上的三脉冲马赫-曾德尔干涉仪测量国际空间站的振动。这是首次在太空中使用量子传感器来检测周围环境的变化。第二项实验涉及使用拉姆齐剪切波干涉法在一次运行中显示干涉图案。这些图案在超过 150 毫秒的自由膨胀时间内是可观察到的。这是对太空中自由落体原子的波动性质的最长演示。研究小组还测量了布拉格激光光子反冲，作为第一个在太空中使用原子干涉法的量子传感器的演示。
超冷原子干涉仪部署到太空的意义
原子干涉仪利用原子的量子特性，对加速度或场的变化极为敏感，因此可用作高精度工具。地面原子干涉仪用于研究重力和先进的导航技术。
太空原子干涉仪具有持续微重力环境的优势，可提供自由落体条件，且受场的影响要小得多。它还有助于玻色-爱因斯坦凝聚态 (BEC) 达到皮开尔文范围内的较低温度并存在更长时间。净效应是延长了观察时间，从而提供了更好的研究机会。这赋予部署到太空的超冷原子干涉仪高精度测量能力，使其成为超级传感器。
部署在太空中的超冷原子干涉仪可以探测到引力的细微变化，而引力变化则预示着密度的变化。这有助于研究行星体的成分和质量变化。
高精度重力测量还可以帮助更好地理解暗物质和暗能量，并探索超越广义相对论和描述可观测宇宙的标准模型的微妙力量。
广义相对论和标准模型是描述可观测宇宙的两种理论。粒子物理学的标准模型基本上是量子场论。它只描述了宇宙的 5%，其余 95% 是我们无法理解的暗物质和暗能量。标准模型无法解释暗物质和暗能量。它也无法解释物质-反物质的不对称。同样，引力还不能与其他场统一。宇宙的现实还没有被现有的理论和模型完全解释。巨型加速器和天文台无法揭示许多自然界的奥秘。作为最精确的传感器，太空超冷原子干涉仪为研究人员提供了探索这些问题的机会，以填补我们对宇宙理解的空白。
***
参考文献：
- Meystre, Pierre 1997。当原子变成波时。可访问 https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- 美国宇航局。冷原子实验室——宇宙任务。可从以下网址获取 https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC 等人。在地球轨道研究实验室中观察玻色-爱因斯坦凝聚态。《自然》582，193–197（2020 年）。 https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP 等人。《空间中的量子气体混合物和双物种原子干涉测量》。《自然》623，502–508（2023 年）。 https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- 小威廉姆斯 等 2024. 探路者号在国际空间站的冷原子实验室中进行原子干涉实验。Nat Commun 15, 6414。出版日期：13 年 2024 月 XNUMX 日。DOI： https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . 预印本 https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- 美国宇航局首次在太空展示“超冷”量子传感器。13 年 2024 月 XNUMX 日发布。可访问 https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
***
