원자 물리학 자들은 어둡고 헐떡 거리는 실험실에서 스스로 땜질하는 경향이 있습니다. Eric Cornell은 Jila의 Carl Wieman과 함께 전국 표준 기술 연구소와 Boulder의 University of Colorado가 공동으로 운영하는 연구소 인 Carl Wieman과 함께 우체국으로 시작했을 때, 그는 2 층 실험실을 지하실로 바꾸기 위해 최선을 다했습니다. 코넬은 "우리는 산을 바라 보는이 아름다운 창문을 가지고 있었고 3 인치 두께의 스티로폼을 사서 사각형으로 자르고 테이프로 붙였다"고 말했다. 조용하고 어둠은 원자가 새로운 물질 상태로 원자를 동축하기 위해 사용했던 수제 레이저와 함께 바이올린을 더 쉽게 만들었습니다.
.Cornell과 Wieman은 Rubidium 가스의 퍼프를 수십억 분의 절대 제로로 냉각 시키려고 노력했습니다. 그들은 Bose-einstein 응축수 (BEC)라고 불리는 오랫동안 예측 된 물질 상태를 생산하기를 희망했으며, 여기서 원자는 개별 정체성을 흘리고 군중을 단일 양자 파로 만들었습니다. 1995 년에 그들은 2001 년 노벨 물리학 상을 수상한 승리로 성공했습니다. 코넬은“우리는 마침내 2 년 전에 실험을 뽑았다”고 말했다.
이제 코넬과 다른 물리학 자들은 원자의 겁쟁이를 격리에서 우주로 가져 가고 있습니다. 내년 초, NASA는 국제 우주 정거장 (ISS)에 7 천만 달러의 CAL (Cold Atom Laboratory)을 출시 할 예정입니다. 궤도에 들어가면 완전 자동 장비는 BEC를 생성하고 다른 콜드 원자 실험을 수행하여 무중력을 활용하여 기록적인 온도를 얻고 양자 역학 및 중력에 대한 야심 찬 연구를위한 근거가됩니다. 소형화는 핵심입니다. 한 번은 레이저, 광학 요소 및 진공 시스템으로 가득 찬 방이 필요한 실험은 이제 마이크로 칩 표면에 갇힌 원자가 얼음 가슴 크기의 장치에 들어갈 수 있습니다. 이 노력은 원자 물리학 자의 문화를 확장하여 우주 망원경 사용자와 같은 단일 원격 시설을 공유해야합니다.
캘리포니아 패서 디나 (Pasadena)의 NASA의 제트 추진 연구소 (JPL)와 칼의 프로젝트 과학자의 물리학자인 로버트 톰슨 (Robert Thompson)은“저는 BECS의 시작부터 20 년 동안 실제로 이것을 투구 해 왔습니다.
우주에서 원자 물리학을하는 주된 이유가 있습니다. 샬럿 츠빌에있는 버지니아 대학교 (University of Virginia)의 물리학 자와 칼 실험자는“중력에서 벗어나는 것입니다. 문제는 다음과 같습니다. BEC를 만들기 위해 물리학 자들은 자석과 레이저를 사용하여 원자를 포획하고 냉각시켜 속도가 초당 수천 미터에서 초당 센티미터로 떨어집니다. 그러나 BEC를 조사하기 위해서는 트랩에서 그것을 방출하고 레이저를 빛나고 레이저를 빛나고 원자의 분포를 드러내는 그림자를 만듭니다.
.지구상에서, 중력은 방출되는 순간 원자를 끌어 당기며, 일반적으로 물리학 자들은 10 ~ 20 밀리 초만으로 BEC가 진공 챔버의 바닥으로 충돌하기 전에 측정을합니다. 궤도의 무중력에서, BEC는 진공 챔버에 가스가 남아 있기 전에 최대 10 초 동안 호버링해야한다고 Sackett은 지구에서 만들 수없는 측정 시간을 허용한다고 말합니다.
.궤도에서 작업하면 원자가 더 낮은 온도로 밀어야합니다. BEC를 만들 때, 최종 단계는 자기장에 갇힌 원자로 시작됩니다. 물리학 자들은 자기장을 내려 가서 트랩이 약하고 넓어 지도록 가스가 팽창하고 차가워 지도록합니다. 궤도에서 트랩은 원자를 잃지 않고 약해지고 커질 수있어 가스가 더 낮은 온도를 얻을 수 있습니다.
그러한 무중력은 지상에서 맹렬하게 모방되었습니다. 2007 년부터 독일 브레멘의 응용 우주 기술의 중심 및 미세 촬영 중심에서 일하는 다중 기관 팀은 재사용 가능한 콜드 원자 실험을 146 미터 타워 아래로 폴리스티렌 펠렛의 침대로 떨어 뜨 렸습니다. 플 런지는 거의 5 초의 무중력 자유 낙상을 생성합니다. 연구자들이 실험을 탑 위로 올려 지구로 떨어지는 경우 두 배나 길다.
.그 몇 초 동안 팀은 가장 차가운 50 개의 피코 켈빈의 온도에 도달 할 수있게되었다고 독일의 하노버 (Hanover)의 물리학 자이자 Quantus Collaboration의 리더 인 Ernst Rasel은 말합니다. (이 약어는 독일인에서 "무중력을 겪는 양자 가스"에 대한 독일에서 온다.) 올해 초, Quantus 연구원들은 스웨덴의 키루나 (Kiruna)의 소리가 나는 로켓에 기기를 발사했다. 로켓 비행은 240km 이상의 고도로 상승하여 6 분의 자유 가을을 제공했습니다. 그 기간 동안 자동화 된 기계는 85 개의 독특한 실험을 수행했다고 Rasel은 우주에서 첫 번째 BEC를 생산하는 것을 포함하여 밝혔다. 그러나 ISS는 CAL이 훨씬 더 많은 시간을 할 것입니다 (1 년 이상).
우선, Cal Physicists는 단순히 가능한 최저 온도에 도달하려고 노력하여 섬세한 새로운 양자 효과가 나타날 수 있습니다. Sackett는 연구원들은 100 개의 피코 켈빈으로 떨어질 수 있다고 확신하고 있다고 확신한다고 Sackett는 말했다. Quantus 팀이 드롭 타워 결과에서 주장하는 것만 큼 낮지 않을 수 있습니다. 그러나 Quantus 팀은 하루에 3 번의 런을 수행 할 수 있지만 Cal은 실험을 지속적으로 수행 할 수 있습니다.
또 다른 실험에서, 메인 주 루이 스턴에있는 베이츠 칼리지의 물리학자인 나단 룬드 블라드 (Nathan Lundblad)와 동료들은 BECS의 중공 껍질을 만들고 싶어합니다. Lundblad는 거품은 적절한 주파수의 무선 파를 BEC에 적용함으로써 만들어 질 수 있으며, 처음에는 기포를 흔들고 어떻게 반응하는지 확인하기를 희망합니다.
.그러나 껍질은 또한 새로운 방식으로 BEC의 파동을 조사 할 수 있습니다. 수학적 일관성은 BEC의 기복이 많은 양자가 구를 감싸고 그 자체로 부드럽게 병합 할 것을 요구합니다. 그렇게 하듯이, 그것은 소용돌이라고 불리는 작은 월풀을 생성 할 수 있습니다. 물리학 자들은 이미 BEC를 회전시켜 소용돌이를 생산했습니다. 그러나 Lundblad의 실험에서, 소용돌이는 양자 파의 상호 작용과 기포의 기하학을 통해 새로운 방식으로 나타날 것입니다.
CAL 팀의 다른 사람들은 EFIMOV 효과로 알려진 이상한 양자 역학을 조사 할 계획이며, 특정 원자가 두 개의 원자가 함께 달라 붙지 않더라도 약하게 결합 된 3 개 원자 분자를 형성 할 수 있습니다. 분자는 붕소 고리와 동등한 원자체이며, 3 개의 고리가 얽혀있어 한 고리를 제거하면 다른 고리가 떨어지게됩니다. 분자를 만들기 위해 Pullman에있는 Washington State University의 Jila 's Cornell과 Peter Engels와 Maren Mossman은 칼륨 -39의 초음파 원자에 자기장을 적용 할 것입니다. 가스는 BEC를 형성하기에 충분히 밀도가 없지만 특정 자기장 강도에서 분리 된 원자는 3 개 원자 분자를 형성하는 데 동축되어야합니다.
그 효과는 지구에서 볼 수 있었지만 이론은 분자가 연속적으로 더 강한 자기장에서 형성되고, 헤어지고, 개혁 할 것이라고 예측한다. 분자의 크기는 매번 22.7의 계수로 성장해야합니다. 코넬과 동료들은 분자가 박테리아의 크기에 관한 거인이되는 두 번째 에피 모프 상태를 발견하는 것을 목표로합니다. 이를 위해서는 초기 실험에서와 같이 1/1000이 될 때까지 가스가 팽창해야합니다. 코넬은“우리가 대학원생 군대와 함께 [실험] 주위에 떠오르지 않기 때문에 두 배로 어려울 것입니다.
아마도 Cal의 가장 큰 목표는 원자 간섭계라고 불리는 실험 유형 일 것입니다. 레이저 조명은 BEC의 양자 파를 두 개의 반쪽으로 분할하여 분리되어 재결합 할 수 있습니다. 양자 이론의 기묘함 덕분에, 그 분할은 BEC의 각 원자가 문자 그대로 두 경로를 한 번에 취한다는 것을 의미합니다. 분할 경로가 수직으로 분리되면, 한 경로는 지구에서 무한하게 더 멀리 떨어져있어 다른 경로보다 약간 더 중력 에너지를 제공하고 양자 파가 그 경로를 따라 약간 더 빨리 파괴됩니다. 결과적으로 파도가 병합되면 BEC에서 졸릴 밀도 분포를 만들기 위해 서로 방해합니다. 패턴은 지구를 공전 할 때 원자가 중력 하에서 얼마나 많이 가속되는지를 정확하게 보여 주어야합니다.
정확한 경우, 궤도 원자 간섭계에는 많은 과학적 응용이있을 수 있습니다. 원자 간섭계는 우주선에서 레이저 자이로 스코프에 의존하는 현재 장치보다 더 정확한 관성 내비게이션 시스템으로 사용될 수 있습니다. 그리고 두 가지 유형의 원자의 BEC에 대한 중력의 영향을 테스트함으로써, 원자 간섭계는 체중이나 구성에 관계없이 모든 물체가 중력의 풀에서 정확히 같은 속도로 가속한다는 원리를 테스트 할 수 있습니다. 그 "동등성 원리"는 이제 Albert Einstein의 중력 이론, 일반 상대성 이론 및 물리학 자의 초석으로 사용됩니다.
그러나 장비 문제로 인해 CAL은 즉시 원자 간섭계를 수행 할 수 없습니다. BEC를 생산하기 위해 JPL의 Cal 개발자는 Boulder에서 Coldquanta, Inc.의 시스템을 사용하고 있습니다. 그 심장은 버터 스틱의 크기에 대한 진공 챔버입니다. 챔버의 한쪽 끝에서 마이크로 칩은 원자를 포획하고 식히는 데 도움이됩니다. 톰슨은 원래 장치와 백업 모두에서 칩이 유출되었다고 말했다. 프로젝트를 일정에 따라 유지하기 위해 연구원들은 원자 간섭계에 필요한 작은 거울없이 Coldquanta가 만든 더 간단한 디자인으로 전환했습니다. 1 년 정도 안에, 그들은 원자 간섭계가 가능한 업그레이드 패키지를 보낼 계획입니다. Coldquanta의 CEO이자 공동 창립자 인 Dana Anderson은“이 문제가 절대적으로 해결 가능하다는 것은 매우 분명하다.
.Cal은 우주에서 차가운 원자의 시작일뿐입니다. CAL과 Quantus 팀은 2020 년 또는 2021 년에 출시 될 Becal이라는 두 번째 우주 정거장 임무에 힘을 합쳐서 Atom Interferometry에 중점을두고 동등성 원리의 최상의 테스트를 능가하기 위해 민감도를 달성 할 것입니다. Rasel은“협업에 대해 정말로 행복합니다.”라고 Rasel은 말합니다. "나에게는 꿈을 실현할 수있는 기회입니다."
합병은 그룹의 다양한 기술 접근법을 강조합니다. NASA는 단 5 년 만에 Cal을 함께 채찍질하기 위해 상업적, 상업용 기술에 의존했습니다. 버클리 캘리포니아 대학교의 물리학자인 Dan Stamper-Kurn은“그들이 구입 한 것들이 스스로 재도해야했습니다. "두통이 없었습니다." 대조적으로, 독일 물리학 자들은 자체 장비를 만들었고, 심지어 Cal 연구자들조차도 더 잘 작동한다고 말합니다. 그래서 Becal은 독일 시스템의 내장을 JPL의 우주 정거장 패키지에 넣습니다.
우주에서 차가운 원자에 대한 진정한 약속을 충족시키기 위해 물리학 자들은 결국 전용 위성 임무를 시작하기를 희망합니다. 우주 정거장은 무중력을 제공하지만 펌프와 기타 기계의 딸랑이로 흔들리는 비교적 시끄럽습니다. 더 조용한 위성은 콜드 원자 실험이 더 높은 정밀도와 감도에 도달 할 수있게 해줄 수 있습니다. 이로 인해 원자 간섭계를 사용하여 현재 위성보다 훨씬 큰 정밀도로 지구 중력의 작은 변형을 측정 할 수있는 문을 열 수 있으며, 지하 대수층의 배수와 같은 공정으로 인해 전 세계의 질량 흐름을 매핑하는 새로운 도구를 제공합니다.
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그러나 먼저 과학자들은 우주에서 원자 물리학을하는 방법을 배워야합니다. Cal은 그들에게 그것을 가르치는 것을 목표로합니다. 아무도 그들이 길을 따라 찾을 수있는 것을 확신하지 않습니다. Sackett은 "우리가 아무도 생각하지 못한 몇 가지 멋진 일을 생각해 낼 것이라고 확신합니다."라고 Sackett는 말합니다.
