Kwa nini "Maabara ya Atomu Baridi (CAL)" ya ukubwa wa friji Mini inayozunguka Dunia ndani ya ISS ni Muhimu kwa Sayansi  

Maada ina asili mbili; kila kitu kipo kama chembe na wimbi. Katika halijoto iliyo karibu na sifuri kabisa, asili ya wimbi la atomi huonekana na mionzi katika masafa yanayoonekana. Katika halijoto kama hiyo ya baridi kali katika safu ya nanoKelvin, atomi huungana na kuwa chombo kimoja kikubwa na kuvuka hadi hali ya tano inayoitwa Bose Eisenstein Condensate (BEC) ambayo hufanya kazi kama wimbi katika pakiti kubwa. Kama mawimbi yote, atomi katika hali hii zinaonyesha hali ya kuingiliwa na mifumo ya kuingiliwa ya mawimbi ya atomi inaweza kuchunguzwa katika maabara. Viingilizi vya atomu vilivyowekwa katika mazingira ya mvuto mdogo wa angani hufanya kama kihisishi sahihi kabisa na hutoa fursa ya kupima kasi ndogo zaidi. Friji dogo lenye ukubwa wa Maabara ya Atomu ya Baridi (CAL) inayozunguka Dunia ndani ya Kituo cha Kimataifa cha Anga cha Juu (ISS) ni kituo cha utafiti kwa ajili ya utafiti wa gesi za kiwango cha juu cha baridi katika mazingira ya anga za juu. Iliboreshwa na Atom Interferometer miaka michache iliyopita. Kulingana na ripoti iliyochapishwa tarehe 13 Agosti 2024), watafiti wamefaulu kufanya majaribio ya kutafuta njia. Wangeweza kupima mitetemo ya ISS kwa kutumia kiingilizi cha mipigo mitatu cha Mach–Zehnder kwenye kituo cha CAL. Hii ilikuwa mara ya kwanza kihisi cha quantum kilitumiwa angani kugundua mabadiliko katika mazingira ya karibu. Jaribio la pili lilihusisha matumizi ya Ramsey shear-wave interferometry ili kudhihirisha mifumo ya uingiliaji katika mkimbio mmoja. Mifumo hiyo ilionekana kwa zaidi ya muda wa upanuzi usiolipishwa wa ms 150. Hili lilikuwa onyesho refu zaidi la asili ya wimbi la atomi katika kuanguka kwa nafasi katika nafasi. Timu ya utafiti pia ilipima urejeshaji wa fotoni ya laser ya Bragg kama onyesho la kitambuzi cha kwanza cha quantum kwa kutumia interferometry ya atomi angani. Maendeleo haya ni muhimu. Kama vitambuzi sahihi zaidi, viingilizi vya atomi vya anga za juu vinaweza kupima kasi duni kwa hivyo kutoa fursa kwa watafiti kuchunguza maswali (kama vile jambo la giza na nishati nyeusi, usawa wa matter-anti-matter, muunganisho wa mvuto na nyanja zingine) kwamba Uhusiano wa Jumla na Muundo Sanifu wa fizikia ya chembe haziwezi kueleza na kujaza pengo katika uelewa wetu wa ulimwengu. 

Mawimbi huonyesha hali ya kuingiliwa, yaani, mawimbi mawili au zaidi yanayoshikamana huchanganyika na kutoa matokeo ya wimbi ambalo linaweza kuwa na amplitude ya juu au ya chini kulingana na awamu za mawimbi yanayochanganyika. Katika kesi ya mwanga, tunaona mawimbi ya matokeo kwa namna ya pindo za giza na mwanga.  

Interferometry ni njia ya kupima sifa kwa kutumia jambo la kuingiliwa. Inajumuisha kugawanya wimbi la tukio katika mihimili miwili ambayo husafiri kwa njia tofauti kisha kuunganishwa na kuunda muundo wa matokeo ya kuingilia kati au pindo (katika kesi ya mwanga). Mchoro wa matokeo ya uingiliaji ni nyeti kwa mabadiliko katika hali ya njia za kusafiri za mihimili, kwa mfano, mabadiliko yoyote katika urefu wa njia ya kusafiri au katika uwanja wowote unaohusiana na urefu wa wimbi huathiri muundo wa mwingiliano na inaweza kutumika kwa vipimo.   

de Broglie wimbi au jambo wimbi  

Maada ina asili mbili; ipo kama chembe na pia wimbi. Kila chembe au kitu kinachosonga kina sifa ya wimbi iliyotolewa na de Broglie Equation  

λ = h/mv = h/p = h/√3mKT   

ambapo λ ni urefu wa wimbi, h ni thabiti ya Planck, m ni wingi, v ni kasi ya chembe, p ni kasi, K ni Boltzmann mara kwa mara, na T ni joto katika Kelvin. 

Urefu wa wimbi la joto la de Broglie unawiana kinyume na mzizi wa mraba wa halijoto katika kelvin ikimaanisha λ itakuwa kubwa zaidi katika halijoto ya chini.  

Utafiti wa mawimbi ya atomi baridi zaidi 

Kwa atomi ya kawaida, urefu wa mawimbi wa de Broglie kwenye joto la chumba ni kwa mpangilio wa angstrom (10).^-10 m) yaani. Nanomita 0.1 (nm 1=10^-9 m). Mionzi ya urefu fulani wa mawimbi inaweza kutatua maelezo katika safu ya saizi sawa. Mwanga hauwezi kutatua maelezo madogo kuliko urefu wake wa mawimbi kwa hivyo atomi ya kawaida kwenye halijoto ya kawaida haiwezi kuonyeshwa kwa kutumia mwanga unaoonekana ambao una urefu wa mawimbi kati ya takriban nm 400 hadi 700. X-rays inaweza kufanya kwa sababu ya urefu wake wa masafa ya angstrom lakini nishati yake ya juu huharibu atomu zile zile ambazo inapaswa kutazama. Kwa hivyo, suluhisho liko katika kupunguza joto la atomi (hadi chini ya 10^-6 kelvin) ili urefu wa mawimbi wa de Broglie wa atomi uongezeke na kulinganishwa na urefu wa mawimbi ya mwanga unaoonekana. Katika halijoto ya baridi kali, asili ya wimbi la atomi huwa inapimika na inafaa kwa interferometry.  

Kadiri halijoto ya atomi inavyopungua zaidi katika safu ya nanokelvin (10^-9 kelvin) hufikia takriban nK 400, mabadiliko ya vifua vya atomiki hadi kwenye hali ya tano inayoitwa Bose-Einstein condensate (BCE). Katika halijoto kama hiyo ya chini kabisa karibu na sufuri kabisa wakati mienendo ya joto ya chembe inapopungua sana, atomi huungana na kuwa chombo kimoja kikubwa zaidi ambacho hufanya kazi kama wimbi katika pakiti kubwa. Hali hii ya atomi inatoa fursa kwa watafiti kusoma mifumo ya quantum kwa kiwango cha macroscopic. Atomiki ya kwanza KK iliundwa mnamo 1995 katika gesi ya atomi ya rubidiamu. Tangu wakati huo, eneo hili limeona maboresho mengi katika teknolojia. The BEC ya molekuli ya molekuli za NaCs iliundwa hivi majuzi kwa halijoto ya baridi kali ya nanoKelvin 5 (nK).  

Hali ya microgravity katika nafasi ni bora kwa utafiti wa mitambo ya quantum  

Nguvu ya uvutano katika maabara zenye msingi wa ardhi inahitaji matumizi ya mtego wa sumaku ili kushikilia atomi mahali pa kupoeza kwa ufanisi. Mvuto pia hupunguza muda wa mwingiliano na BECs katika maabara za nchi kavu. Uundaji wa BECs katika mazingira ya mvuto wa chini ya maabara ya msingi wa nafasi hushinda mapungufu haya. Mazingira ya mvuto mdogo yanaweza kuongeza muda wa mwingiliano na kupunguza usumbufu kutoka kwa uwanja unaotumika, na hivyo kuunga mkono utafiti wa kimitambo wa kiasi. BCEs sasa huundwa kwa kawaida chini ya hali ya microgravity katika nafasi.  

Maabara ya Atomu Baridi (CAL) katika Kituo cha Kimataifa cha Anga za Juu (ISS) 

Maabara ya Atomu ya Baridi (CAL) ni kituo cha utafiti cha watumiaji wengi kilicho katika Kituo cha Kimataifa cha Anga cha Juu (ISS) kwa ajili ya utafiti wa gesi za kiwango cha baridi kali katika mazingira ya microgravity ya nafasi. CAL inaendeshwa kwa mbali kutoka kituo cha operesheni katika Maabara ya Jet Propulsion.  

Katika kituo hiki chenye msingi wa anga, inawezekana kuwa na nyakati za uchunguzi zaidi ya sekunde 10 na halijoto ya baridi chini ya 100 picoKelvin (1 pK= 10).^-12 Kelvin) kwa ajili ya utafiti wa matukio ya quantum.   

Cold Atom Lab ilizinduliwa tarehe 21 Mei 2018 na ilisakinishwa kwenye ISS mwishoni mwa Mei 2018. Bose-Einstein Condensate (BEC) iliundwa katika kituo hiki cha anga za juu mnamo Julai 2018. Hii ilikuwa mara ya kwanza; hali ya tano ya maada iliundwa katika obiti ya Dunia. Baadaye, kituo kiliboreshwa kufuatia kupelekwa kwa viingilizi vya atomi za baridi kali.  

CAL imepata mafanikio mengi katika miaka ya hivi karibuni. Rubidium Bose–Einstein condensates (BECs) ilitolewa angani mwaka wa 2020. Ilionyeshwa pia kuwa mazingira ya uvutano wa midogo ni ya manufaa kwa majaribio ya atomi baridi.  

Mwaka jana, mnamo 2023, watafiti walizalisha aina mbili za BEC iliyoundwa kutoka ⁸⁷Rb na ⁴¹K na kuonyesha mwingiliano wa wakati mmoja wa atomi na spishi mbili za atomiki kwa mara ya kwanza angani katika kituo cha Maabara ya Atomu Baridi. Mafanikio haya yalikuwa muhimu kwa majaribio ya quantum ya ulimwengu wa kuanguka bila malipo (UFF) angani.  

Maendeleo ya hivi karibuni katika teknolojia ya quantum inayotegemea nafasi 

Kulingana na ripoti iliyochapishwa mnamo 13 Agosti 2024), watafiti waliajiri ⁸⁷Atomi za Rb kwenye kiingilizi cha atomi cha CAL na kufanya majaribio matatu ya kutafuta njia kwa mafanikio. Wangeweza kupima mitetemo ya ISS kwa kutumia kiingilizi cha mipigo mitatu cha Mach–Zehnder kwenye kituo cha CAL. Hii ilikuwa mara ya kwanza kihisi cha quantum kilitumiwa angani kugundua mabadiliko katika mazingira ya karibu. Jaribio la pili lilihusisha matumizi ya Ramsey shear-wave interferometry ili kudhihirisha mifumo ya uingiliaji katika mkimbio mmoja. Mifumo hiyo ilionekana kwa zaidi ya muda wa upanuzi usiolipishwa wa ms 150. Hili lilikuwa onyesho refu zaidi la asili ya wimbi la atomi katika kuanguka kwa nafasi katika nafasi. Timu ya utafiti pia ilipima urejeshaji wa fotoni ya laser ya Bragg kama onyesho la kitambuzi cha kwanza cha quantum kwa kutumia interferometry ya atomi angani. 

Umuhimu wa viingilizi vya atomi za baridi kali kupelekwa angani 

Viingilizi vya atomu hutumia asili ya quantum ya atomi na ni nyeti sana kwa mabadiliko katika kuongeza kasi au sehemu kwa hivyo zina programu kama zana za usahihi wa hali ya juu. Viingilizi vya atomi vinavyotokana na dunia hutumiwa kuchunguza mvuto na katika teknolojia za juu za urambazaji.   

Viingilizi vya atomi vinavyotokana na nafasi vina faida za mazingira ya uvutano wa chini ya ardhi ambayo hutoa hali ya kuanguka bila malipo na ushawishi mdogo sana wa nyanja. Pia husaidia viunga vya Bose-Einstein (BECs) kufikia viwango vya baridi zaidi katika safu ya picoKelvin na kuwepo kwa muda mrefu. Athari halisi ni muda ulioongezwa wa uchunguzi hivyo basi fursa nzuri ya kusoma. Hii huweka viingilizi vya atomi za hali ya juu vilivyowekwa angani na uwezo wa kupima usahihi wa hali ya juu na kuzifanya kuwa vitambuzi vya juu zaidi.  

Viingilizi vya atomi za baridi kali vilivyowekwa angani vinaweza kutambua tofauti fiche sana katika mvuto ambayo ni dalili ya kutofautiana kwa msongamano. Hii inaweza kusaidia katika kusoma muundo wa miili ya sayari na mabadiliko yoyote ya misa.  

Kipimo cha usahihi wa hali ya juu cha mvuto kinaweza pia kusaidia kuelewa vyema jambo la giza na nishati nyeusi na katika uchunguzi wa nguvu fiche zaidi ya Uhusiano wa Jumla na Muundo wa Kawaida unaoelezea ulimwengu unaoonekana.  

Uhusiano wa Jumla na Muundo Sanifu ni nadharia mbili zinazoelezea ulimwengu unaoonekana. Mfano wa kawaida wa fizikia ya chembe kimsingi ni nadharia ya uwanja wa quantum. Inaelezea 5% tu ya ulimwengu, iliyobaki 95% iko katika aina za giza (maada ya giza na nishati ya giza) ambayo hatuelewi. Muundo wa Kawaida hauwezi kuelezea jambo la giza na nishati ya giza. Haiwezi kueleza asymmetry ya matter-antimatter pia. Vile vile, nguvu ya uvutano haikuweza kuunganishwa na nyuga zingine bado. Ukweli wa ulimwengu hauelezewi kikamilifu na nadharia na mifano ya sasa. Vichapuzi vikubwa na viangalizi haviwezi kuangazia mengi ya mafumbo haya ya asili. Kama vitambuzi sahihi zaidi, viingilizi vya atomi vya anga za juu vinatoa fursa kwa watafiti kuchunguza maswali haya ili kujaza pengo katika uelewa wetu wa ulimwengu.  

*** 

Marejeo:  

1. Meystre, Pierre 1997. Wakati atomi zinakuwa mawimbi. Inapatikana kwa https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf 

2. NASA. Maabara ya Atomu ya Baridi - Misheni za Ulimwengu. Inapatikana kwa https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/  

3. Aveline, DC, et al. Uchunguzi wa Bose-Einstein hujilimbikiza katika maabara ya utafiti inayozunguka Dunia. Nature 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1 

4. Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Mchanganyiko wa gesi ya quantum na interferometry ya atomi ya aina mbili katika nafasi. Nature 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w 

5. Williams, JR, et al 2024. Majaribio ya Pathfinder ya atomi interferometry katika Cold Atom Lab kwenye Kituo cha Kimataifa cha Nafasi. Nat Commun 15, 6414. Imechapishwa: 13 Agosti 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Toleo la awali https://arxiv.org/html/2402.14685v1  

6. NASA Yaonyesha Kihisi cha 'Ultra-Cool' Quantum kwa Mara ya Kwanza Angani. Ilichapishwa tarehe 13 Agosti 2024.Inapatikana kwa https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space 

***