Китайские учёные получили самое холодное искусственное вещество в истории — облако атомов рубидия. Его температура примерно на 14 порядков ниже комнатной температуры и заметно ниже, чем фоновая температура открытого космоса.
На Земле такое сделать невозможно. Поэтому китайцы отправили экспериментальную установку на орбиту — на борт своей национальной станции «Тяньгун». Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
Насколько это холодно
Абсолютный ноль — это минус 273,15 градуса Цельсия, или 0 кельвинов. Это температура, при которой атомы теоретически должны полностью остановиться. Достичь её невозможно — это запрещает термодинамика. Но приблизиться тем не менее можно.
Китайцам удалось охладить вещество до 9,7 пикокельвина, это 9,7 × 10⁻¹² кельвина. Если записать цифрами, то получится 0,0000000000097 кельвина. Или, как говорят учёные, примерно одна стомиллиардная доля градуса выше абсолютного нуля. Трудно даже представить, насколько это ничтожная величина. И это настолько близко к абсолютному нулю, что атомы практически замерли на месте. При комнатной температуре атомы рубидия за 7 секунд (столько длился эксперимент) пролетели бы около двух километров. При температуре 9,7 пикокельвина за те же 7 секунд они сместились лишь на 500 микрометров, что чуть больше толщины человеческого волоса!
Таким образом, китайские исследователи побили предыдущий рекорд охлаждения вещества — 38 пикокельвинов. Он принадлежал немецкой команде учёных и держался с 2021 года.
Почему это сделали в космосе
Главный враг физиков, охотящихся за сверхнизкими температурами, — гравитация. На Земле атомы постоянно падают, и, чтобы удержать их в ловушке, приходится сильнее «сжимать» облако с помощью магнитного поля. Но чем сильнее ловушка, чем жёстче удержание, тем больше энергии вносится в систему и тем сложнее охладить атомы до предела.
А в невесомости атомы могут висеть почти свободно, достаточно слабого их удержания, чтобы продолжать охлаждение. И наблюдать за ними можно дольше, не доли секунды, а несколько мгновений.
Команда физиков из Пекинского университета, Шанхайского института оптики и точной механики и Центра космических приложений КАН проводила работы на борту лабораторного модуля «Мэнтянь», где был установлен «сверххолодильник» — шкаф для экспериментов с ултрахолодными атомами. Это компактный блок объёмом 0,7 кубометра и весом 500 килограммов. На Земле аналогичная система занимала бы 20 кубометров и весила 10 тонн.
Внутри установки находилось около 5 граммов металлического рубидия. Его нагрели, получив облако атомов. Затем лазеры и магнитные поля охладили атомы. А дальше начался ключевой этап эксперимента, который и принёс рекорд. Китайская команда применила полностью оптическую ловушку (обычно используют магнитные ловушки на атомных чипах), где атомы удерживались лазерными лучами, а охлаждение шло за счёт испарения — самые энергичные атомы покидали ловушку, унося с собой тепло. Оставшиеся стали ещё холоднее.
Так удалось добиться рекордно низкой температуры вещества — 9,7 пикокельвина.
Зачем это вообще нужно
При температурах, близких к абсолютному нулю, атомы перестают вести себя как отдельные частицы. Они начинают работать как единая квантовая система — возникает то, что физики называют конденсатом Бозе — Эйнштейна. Атомы выстраиваются в «стройные ряды», и их поведением можно управлять с невероятной точностью.
Конечно, возникает вопрос: для чего это нужно? Само по себе облако атомов рубидия не продашь в супермаркете, каким бы холодным оно ни было. Но технологии, которые понадобились для его получения, лежат в основе следующего поколения приборов сверхточных измерений.
Сверххолодные атомы — это основа атомных часов, интерферометров и квантовых сенсоров. От стабильности атомных часов зависит спутниковая навигация, синхронизация финансовых транзакций и энергосетей. Холодные атомные гравиметры способны замечать микроскопические изменения силы тяжести — это нужно при разведке полезных ископаемых, мониторинге геологических процессов. Пригодятся такие сенсоры и для предсказания землетрясений.
В фундаментальной науке такие облака позволяют моделировать квантовые фазовые переходы, неравновесную динамику и поведение материи в условиях, близких к ранней Вселенной, а также искать следы сверхлёгкой тёмной материи.
Нобелевский лауреат Вольфганг Кеттерле, комментируя результат проведённой работы, назвал его «отличной отправной точкой для развития атомной термометрии и прецизионных измерений». Сами же китайские учёные говорят, что 9,7 пикокельвина не финал. Установка продолжит работать, а доступ к ней обещают открыть для исследователей со всего мира.
«Абсолютный ноль недостижим, но человечество не перестанет к нему приближаться», — сказал профессор Лю Цунминь, заместитель директора Технологического и инженерного центра использования космоса Китайской академии наук.