Ultrakoude bubbels, geproduceerd in NASA's Cold Atom Lab, bieden nieuwe mogelijkheden om te experimenteren met een exotische toestand van materie.

Sinds de dagen van het Apollo-programma van NASA hebben astronauten gedocumenteerd (en bestreden) hoe vloeistoffen zich in microzwaartekracht anders gedragen dan op aarde - samensmeltend tot zwevende bollen in plaats van bodemzware druppeltjes. Nu hebben onderzoekers dit effect aangetoond met een veel exotischer materiaal:gas afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt (min 459 graden Fahrenheit of min 273 graden Celsius), de laagste temperatuur die materie kan bereiken.

Met behulp van NASA's Cold Atom Lab, de allereerste kwantumfysica-faciliteit aan boord van het International Space Station, namen onderzoekers monsters van atomen die waren afgekoeld tot op een miljoenste van een graad boven het absolute nulpunt en vormden ze in extreem dunne, holle bollen. Het koude gas begint in een kleine, ronde klodder, zoals een eigeel, en wordt gevormd tot iets dat meer lijkt op een dunne eierschaal. Op aarde vallen soortgelijke pogingen plat:de atomen stromen naar beneden en vormen iets dat qua vorm dichter bij een contactlens ligt dan een luchtbel.

De mijlpaal - beschreven in een nieuw artikel dat woensdag 18 mei online is gepubliceerd in het tijdschrift Nature —is alleen mogelijk in de microzwaartekrachtomgeving op het ruimtestation.

De ultrakoude bubbels zouden uiteindelijk kunnen worden gebruikt in nieuwe soorten experimenten met een nog exotischer materiaal:een vijfde toestand van materie (anders dan gassen, vloeistoffen, vaste stoffen en plasma's), een Bose-Einstein-condensaat (BEC). In een BEC kunnen wetenschappers de kwantumeigenschappen van atomen observeren op een schaal die zichtbaar is voor het blote oog. Atomen en deeltjes gedragen zich bijvoorbeeld soms als vaste objecten en soms als golven - een kwantumeigenschap die 'golf-deeltjesdualiteit' wordt genoemd.

Het werk vereist geen assistentie van een astronaut. De ultrakoude bubbels worden gemaakt in de goed afgesloten vacuümkamer van Cold Atom Lab met behulp van magnetische velden om het gas voorzichtig in verschillende vormen te manipuleren. En het lab zelf, dat ongeveer zo groot is als een minikoelkast, wordt op afstand bediend vanuit JPL.

De grootste bellen hebben een diameter van ongeveer 1 millimeter en een dikte van 1 micron (dat is een duizendste van een millimeter of 0.00004 inch). Ze zijn zo dun en verdund dat ze slechts uit duizenden atomen bestaan. Ter vergelijking:een kubieke millimeter lucht op aarde bevat ongeveer een miljard biljoen moleculen.

"Dit zijn niet zoals je gemiddelde zeepbellen", zegt David Aveline, hoofdauteur van het nieuwe werk en lid van het Cold Atom Lab-wetenschappelijke team van NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië. "Niets dat we in de natuur kennen, wordt zo koud als de atomaire gassen die worden geproduceerd in Cold Atom Lab. Dus we beginnen met dit zeer unieke gas en bestuderen hoe het zich gedraagt ​​wanneer het wordt gevormd in fundamenteel verschillende geometrieën. En, historisch gezien, wanneer een materiaal wordt gemanipuleerd op deze manier kunnen zeer interessante natuurkunde ontstaan, evenals nieuwe toepassingen."

Waarom het belangrijk is

Het blootstellen van materialen aan verschillende fysieke omstandigheden staat centraal om ze te begrijpen. Het is ook vaak de eerste stap naar het vinden van praktische toepassingen voor die materialen.

Door dit soort experimenten op het ruimtestation uit te voeren met behulp van het Cold Atom Lab kunnen wetenschappers de effecten van de zwaartekracht verwijderen, wat vaak de dominante kracht is die de beweging en het gedrag van vloeistoffen beïnvloedt. Door dit te doen, kunnen wetenschappers de andere factoren die een rol spelen beter begrijpen, zoals de oppervlaktespanning of viscositeit van een vloeistof.

Nu wetenschappers de ultrakoude bubbels hebben gecreëerd, is hun volgende stap om het ultrakoude gas dat de bubbels vormt over te zetten naar de BEC-toestand en te zien hoe het zich gedraagt.

"Enig theoretisch werk suggereert dat als we werken met een van deze bubbels die zich in de BEC-staat bevindt, we in staat zouden kunnen zijn om wervels te vormen - in feite kleine draaikolken - in het kwantummateriaal", zegt Nathan Lundblad, een professor in de natuurkunde aan Bates. College in Lewiston, Maine, en de hoofdonderzoeker van de nieuwe studie. "Dat is een voorbeeld van een fysieke configuratie die ons zou kunnen helpen BEC-eigenschappen beter te begrijpen en meer inzicht te krijgen in de aard van kwantummaterie."

Het gebied van de kwantumwetenschap heeft geleid tot de ontwikkeling van moderne technologieën zoals transistors en lasers. Kwantumonderzoek in een baan om de aarde zou kunnen leiden tot verbeteringen in navigatiesystemen en sensoren van ruimtevaartuigen voor het bestuderen van de aarde en andere lichamen van het zonnestelsel. Ultrakoude atoomfaciliteiten zijn al tientallen jaren in gebruik op aarde; in de ruimte kunnen onderzoekers ultrakoude atomen en BEC's echter op nieuwe manieren bestuderen omdat de effecten van de zwaartekracht worden verminderd. Dit stelt onderzoekers in staat om regelmatig koudere temperaturen te bereiken en verschijnselen langer waar te nemen dan op aarde.

"Ons primaire doel met Cold Atom Lab is fundamenteel onderzoek - we willen de unieke ruimteomgeving van het ruimtestation gebruiken om de kwantumaard van materie te verkennen", zegt Jason Williams, projectwetenschapper voor Cold Atom Lab bij JPL. "Het bestuderen van ultrakoude atomen in nieuwe geometrieën is daar een perfect voorbeeld van." + Verder verkennen

Een warm ruimtestation welkom voor coole nieuwe hardware