W lipcu 2018 roku na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej udało się po raz pierwszy przeprowadzić eksperyment z wychładzaniem atomów rubidu (miękki metal) do tak niskiej temperatury, że niemal zwolniły. Posłużono się tu kombinacją schładzania laserami, chłodzenia ewaporacyjnego i pól magnetycznych. 

Nie było to zero absolutne (wówczas zatrzymałyby się kompletnie), ale blisko. Naprawdę, bardzo blisko. W temperaturze ok. 100 nanoKelvinów (jedna dziesięcio-milionowa Kelvina ponad zero absolutnym) atomy rubidu przeszły w stan w kondensatów Bosego-Einsteina (BEC).

To przewidziane w 1924 roku zjawisko (zaobserwowane dopiero w 1995 roku) nazywa się ”piątym stanem skupienia” materii, po plazmie, cieczy, gazie i stanie stałym. O ile w gazach atomy są w ciągłym chaotycznym ruchu i dużej odległości od siebie, a w ciele stałym są uporządkowane i ciasno zbite ze sobą, to w kondensacie BEC pozostają uporządkowane leżąc daleko od siebie.

Jeżeli otoczenie jest wystarczająco zimne (nawet chłodniej niż w kosmosie), atomy mogą pozostawać powiązane ze sobą i reagować jak jeden duży super-atom, choć faktycznie utrzymują między sobą spory dystans.

Koncepcja takiego niby gazu niby ciała stałego, ”ducha” zdolnego przenikać przez ścianę (dlatego łapie się go używając magnetycznych pułapek) natchnęła naukowców do prowadzenia eksperymentów dotyczącej mechaniki kwantowej.

Według jej założeń każda cząsteczka może być opisana jako fala (koncepcja Louisa de Broglie’a, tzw. dualizm korpuskularno-falowy), więc łatwiej obserwować podlegające jej zjawiska w skali atomowej. Był jeden problem. Siła grawitacji Ziemi zmieniała wyniki, bo wpływając na część atomów upośledzała sens eksperymentów.

Tu pojawiła się koncepcja wykorzystania NASA i Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. I tak miniaturowa lodówka z wbudowaną pułapką do tworzenia i łapania kondensatów, nazwana CAL (Cold Atom Lab), pozwoliła na dłuższą obserwację takiej chmurki kondensatu.

Choć mówimy tu o skoku jakościowym z milisekund do nieco ponad sekundy, to jest to wystarczająco długo, by po wyłączeniu pułapki dokonać eksperymentu. Przy okazji brak przyciągania ziemskiego ujawnił nowy, niespotykany dotąd efekt mrożenia atomów.

Ponad chmurką utworzyło się coś na wzór aureoli z niewrażliwych na pole magnetycznej atomów lewitujących nad pułapką. Tego w laboratoriach na Ziemi nie było. Te tworzące ową poświatę atomy przyciąganie ziemskie ściągnęłoby w dół.

- W procesie chłodzenia ewaporacyjnego w mikrograwitacji osiągnęliśmy zauważalnie inne rezultaty [niż na Ziemi – red.]. Na orbicie w kondensacie BEC zaobserwowaliśmy trzykrotnie więcej atomów, przy czym połowa z nich znajdowała się w stanie niewrażliwym na pole magnetyczne tworząc formę aureoli nad magnetyczną pułapką – piszą David C. Aveline, Jason R. Williams, Ethan R. Elliott, autorzy analizy badań na ISS piszą w ”Nature”.

Naukowcy są zdania, że dzięki wydłużeniu czasu obserwacji kondensatu BEC oraz możliwości budowania ”pułapek w innym kształcie”, będzie możliwe prowadzenie eksperymentów w celu np. ”obserwowania nowych zachowań kwantowych”.

Jan Sochaczewski