Tillverkade i NASA:s Cold Atom Lab ger ultrakalla bubblor nya möjligheter att experimentera med ett exotiskt tillstånd av materia.

Sedan dagarna av NASA:s Apollo-program har astronauter dokumenterat (och kämpat med) hur vätskor beter sig annorlunda i mikrogravitation än de gör på jorden - smälter samman till flytande sfärer istället för bottentunga droppar. Nu har forskare visat denna effekt med ett mycket mer exotiskt material:gas kyld till nästan absolut noll (minus 459 grader Fahrenheit eller minus 273 grader Celsius), den lägsta temperatur som materia kan nå.

Med hjälp av NASAs Cold Atom Lab, den första kvantfysikanläggningen någonsin ombord på den internationella rymdstationen, tog forskare prover på atomer som kylts till inom en miljondels grad över absolut noll och formade dem till extremt tunna, ihåliga sfärer. Den kalla gasen börjar i en liten, rund klump, som en äggula, och formas till något mer som ett tunt äggskal. På jorden faller liknande försök platt:Atomerna samlas nedåt och bildar något som är närmare en kontaktlins än en bubbla.

Milstolpen – beskriven i en ny artikel publicerad online onsdagen den 18 maj i tidskriften Nature —är endast möjligt i mikrogravitationsmiljön på rymdstationen.

De ultrakalla bubblorna skulle så småningom kunna användas i nya typer av experiment med ett ännu mer exotiskt material:ett femte materiatillstånd (till skillnad från gaser, vätskor, fasta ämnen och plasma) som kallas ett Bose-Einstein-kondensat (BEC). I en BEC kan forskare observera atomernas kvantegenskaper i en skala som är synlig för blotta ögat. Till exempel beter sig atomer och partiklar ibland som fasta föremål och ibland som vågor – en kvantegenskap som kallas "våg-partikeldualitet."

Arbetet kräver ingen astronauthjälp. De ultrakalla bubblorna görs inuti Cold Atom Labs tättslutna vakuumkammare med hjälp av magnetiska fält för att försiktigt manipulera gasen till olika former. Och själva labbet – som är ungefär lika stort som en minikyl – fjärrstyrs från JPL.

De största bubblorna är cirka 1 millimeter i diameter och 1 mikron tjocka (det är en tusendels millimeter, eller 0,00004 tum). De är så tunna och utspädda att endast tusentals atomer består av dem. Som jämförelse innehåller en kubikmillimeter luft på jorden någonstans runt en miljard biljoner molekyler.

"Dessa är inte som dina genomsnittliga såpbubblor", säger David Aveline, huvudförfattare till det nya verket och medlem av Cold Atom Labs forskarteam vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien. "Ingenting som vi känner till i naturen blir så kallt som atomgaserna som produceras i Cold Atom Lab. Så vi börjar med denna mycket unika gas och studerar hur den beter sig när den formas till fundamentalt olika geometrier. Och, historiskt, när ett material manipuleras på så sätt kan mycket intressant fysik dyka upp, såväl som nya tillämpningar."

Varför det "viktigt"

Att utsätta material för olika fysiska förhållanden är centralt för att förstå dem. Det är också ofta det första steget för att hitta praktiska tillämpningar för dessa material.

Genom att utföra dessa typer av experiment på rymdstationen med hjälp av Cold Atom Lab gör det möjligt för forskare att ta bort effekterna av gravitationen, som ofta är den dominerande kraften som påverkar vätskors rörelse och beteende. Genom att göra det kan forskare bättre förstå de andra faktorerna som spelar in, såsom en vätskas ytspänning eller viskositet.

Nu när forskare har skapat de ultrakalla bubblorna kommer deras nästa steg att vara att överföra den ultrakalla gasen som utgör bubblorna till BEC-tillståndet och se hur den beter sig.

"Något teoretiskt arbete tyder på att om vi arbetar med en av dessa bubblor som är i BEC-tillståndet, kan vi kanske bilda virvlar - i princip små virvlar - i kvantmaterialet", säger Nathan Lundblad, professor i fysik vid Bates College i Lewiston, Maine, och huvudutredaren av den nya studien. "Detta är ett exempel på en fysisk konfiguration som skulle kunna hjälpa oss att förstå BEC-egenskaper bättre och få mer insikt om kvantmaterias natur."

Kvantvetenskapens område har lett till utvecklingen av modern teknik som transistorer och lasrar. Kvantundersökningar gjorda i jordens omloppsbana kan leda till förbättringar av rymdfarkosternas navigationssystem och sensorer för att studera jorden och andra solsystemkroppar. Ultrakalla atomanläggningar har varit i drift på jorden i decennier; Men i rymden kan forskare studera ultrakalla atomer och BEC på nya sätt eftersom gravitationens effekter minskar. Detta gör det möjligt för forskare att regelbundet nå kallare temperaturer och observera fenomen längre än vad de kan på jorden.

"Vårt primära mål med Cold Atom Lab är grundläggande forskning - vi vill använda rymdstationens unika rymdmiljö för att utforska materiens kvantnatur", säger Jason Williams, projektforskare för Cold Atom Lab vid JPL. "Att studera ultrakalla atomer i nya geometrier är ett perfekt exempel på det." + Utforska vidare

En varm rymdstation välkommen för cool ny hårdvara