Létrehozták az anyag ötödik halmazállapotát a világűrben is
2020 / 06 / 22 / justin.viktor
Létrehozták az anyag ötödik halmazállapotát a világűrben is
A NASA tudósainak egy csoportja közzétette a Nemzetközi Űrállomás fedélzetén folytatott Bose-Einstein kondenzátum kísérleteinek első eredményeit, ahol a részecskék a gravitációs korlátoktól mentesen manipulálhatók. A tudósok első ízben figyelték meg az anyag ötödik állapotát az űrben, példátlan betekintést nyerve ezzel a kvantum-univerzum legmegoldhatatlanabbnak tűnő titkaiba.

100 éves jóslat

Bose-Einstein kondenzátumok (BEC-ek) létezését Albert Einstein és Satyendra Nath Bose indiai matematikus majdnem egy évszázaddal ezelőtt jósolták meg. Ezek akkor képződnek, amikor egyes elemek atomjait abszolút nulla fokra hűtik (mínusz 273,15 Celsius fok). Ezen a ponton az atomok egyetlen entitássá válnak, kvantumtulajdonságokkal, ahol az egyes részecskék az anyag hullámaiként is funkcionálnak. 

A BEC-k hidalják ​​át a makroszkopikus világ, - melyet olyan erők dominálnak, mint például gravitáció, - és a  kvantummechanika által irányított mikroszkopikus sík közötti szakadékot.

A tudósok úgy vélik, hogy a BEC-ek létfontosságú nyomokat tartalmaznak olyan titokzatos jelenségek eredetére nézvést, mint például a sötét energia, az az  ismeretlen erő, melyet az univerzum gyorsuló tágulása mögött sejtenek. De a BEC-ek rendkívül törékenyek. A legkisebb interakció a külvilággal elegendő ahhoz, hogy túlmelegítsék őket kondenzációs küszöbükön.

Ez szinte lehetetlenné teszi a tudósok számára, hogy a Földön tanulmányozzák őket, ahol a gravitáció zavarja azokat a mágneses tereket, amelyek ahhoz szükségesek, hogy megfigyelés céljából a helyükön maradjanak. 


A művészi koncepció azt mutatja, hogy az atomok Bose-Einstein kondenzátumban (BEC) lézersugár hatásának vannak kitéve. Amikor az azonos mágneses spin-orientációval rendelkező atomok (kék és sárga pólusaikkal jelölve), a néző felé tolódnak, spinjük miatt jobbra sodródnak, a Spin Hall-effektus eredményeként. (Kép: Wikimédia)

Lebegő atomok

A Nemzetközi Űrállomás fedélzetén folytatott BEC kísérleteinek első eredményeit Július 11-én hozta nyilvánosságra a NASA tudósainak egy csoportja. "A mikrogravitáció lehetővé teszi, hogy az atomokat sokkal gyengébb erővel korlátozzuk, mivel nem kell támogatnunk őket a gravitáció ellenében" - mondta Robert Thompson, a Pasadenában található kaliforniai technológiai intézetből. A Nature folyóiratban közzétett kutatás számos megdöbbentő különbséget dokumentál a Földön létrejött és az ISS fedélzetén létrejött BEC-ek tulajdonságai között. 

Először is, a földi laboratóriumokban a BEC-k ​​általában néhány milliszekundumig maradnak fenn, mielőtt szétszórnának.

Az ISS fedélzetén az anyag BEC állapota több mint egy másodpercig megmaradt, így példa nélküli esélyt adott a csapatnak a tulajdonságai tanulmányozására. A mikrogravitáció lehetővé tette az atomok gyengébb mágneses mezőkkel történő manipulálását is, felgyorsítva a hűtést és lehetővé téve a tisztább képalkotást.


A Science magazin 1995. július 14-i számában a JILA kutatói sokkal alacsonyabb hőmérsékletet értek el, mint amit addig valaha sikerült, és teljesen új anyagállapotot hoztak létre, amelyet évtizedekkel azelőtt Albert Einstein és Satyendra Nath Bose fizikus megjósoltak. A rubídium atomoknak az abszolút nulla feletti foktól mért képest kevesebb, mint 170 milliárdod fokra hűtése létrehozta az egyes atomok kondenzálódását egy „szuperatómá”, amely egyetlen entitásként viselkedik. A grafikon háromdimenziós egymást követő pillanatfelvételeket mutat időben, amelyekben az atomok a kevésbé sűrű vörös, sárga és zöld területekről nagyon sűrű kék-fehér területekkre kondenzálódnak. A JILA-t a NIST és a Boulder-i Colorado Egyetem közösen üzemelteti. (Kép: Wikimédia)

Figyelemre méltó áttörés

Az ötödik anyagállapot megteremtése, különösen az űrállomás fizikai határain belül, nem volt egyszerű feladat. Először is: a bozonokat - amelyek azonos számú protont és elektront tartalmaznak - lézerek segítségével az abszolút nullához közeli hőmérsékletre hűtötték, hogy rögzítsék őket a helyükön.

Minél lassabban mozognak az atomok, annál hidegebbé válnak. Amint az atomok elveszítették a hőt, egy mágneses mezőt kapcsoltak be, hogy tovább akadályozzák őket a mozgásban, és ekkor az egyes részecskék hullámai kibővültek. Számos bozont zsúfolva egyetlen mikroszkopikus méretű csapdába, a hullámaik átfedésbe kerültek, végül egyetlen anyaghullámot alkotva - ezt a tulajdonságot nevezzük kvantum degenerációnak

Abban a pillanatban, amint a tudósok kikapcsolták a mágneses csapdát - annak érdekében, hogy tanulmányozzák a kondenzátumot, - az atomok taszítani kezdték egymást, aminek eredményeként a felhő szétszóródott, és a BEC túl híggá vált az észleléshez.

Thompson és csapata rájöttek, hogy az ISS fedélzetének mikrogravitációja lehetővé tette számukra, hogy rubiniumból - egy lágy fém, amely hasonló a káliumhoz - sokkal sekélyebb csapdával is képesek legyenek BEC-eket létrehozni, mint a Földön. Ez azt eredményezte, hogy a kondenzátum nagyságrendekkel hosszabb ideig állt rendelkezésre a tanulmányozáshoz, mielőtt a diffúzió jelentősen megnőtt volna. 

Szabadság, egyenlőség, testvériség

"A legfontosabb az volt, hogy megfigyelhettük az atomokat, miként azok külső erők nélkül teljesen szabadon, háborítatlanul lebegtek” - mondta Thompson. A súlytalanság BEC-ekre gyakorolt ​​hatását a korábbi kísérletekben eddig szabadesésben zuhanó repülőgépek fedélzetén, a rakétákkal és különböző magasságokból ledobott készülékekkel tanulmányozták. 

A kutatócsoport vezetője, David Aveline elmondta: “A BEC-ek ​​mikrogravitációjának vizsgálata számos kutatási lehetőséget nyitott meg. A potenciális alkalmazások az általános relativitáselméleti tesztektől, a sötét energia és a gravitációs hullámok keresésétől az űrhajók navigálásáig, a hold és más égitestek felszín alatti ásványainak feltárásáig terjedhet.”

(Forrás: Nature Képek: Wikipedia, NASA)

Ha tetszett ez a cikk, kövess minket a Facebookon is!


 


Ezek is érdekelhetnek

Hírlevél feliratkozás

Ne maradj le a jövőről! Iratkozz fel a hírlevelünkre, és minden héten elküldjük neked a legfrissebb és legérdekesebb híreket a technológia és a tudomány világából.