ตามบทความล่าสุดในวารสาร Nature นักฟิสิกส์จาก California Institute of Technology และ Jet Propulsion Laboratory ได้สร้างสถานะควอนตัมที่หายากซึ่งรู้จักกันในชื่อ Bose-Einstein condensate (BEC) ในอวกาศ นักฟิสิกส์ทำเช่นนี้โดยวางชุดทดลองขนาดกะทัดรัดที่มีขนาดเท่ากับตู้เย็นขนาดเล็กบนสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) มันถูกเรียกว่า Cold Atom Laboratory (CAL) หรืออีกนัยหนึ่งคือ "สถานที่ที่เจ๋งที่สุดในจักรวาล"
BEC ได้รับการตั้งชื่อตาม Albert Einstein และนักฟิสิกส์ชาวอินเดีย Satyendra Bose ซึ่งในปี ค.ศ. 1920 คาดการณ์ถึงความเป็นไปได้ที่ลักษณะคลื่นของอะตอมอาจทำให้อะตอมสามารถแพร่กระจายและทับซ้อนกันได้หากอยู่ใกล้กันมากพอ ที่อุณหภูมิปกติ อะตอมจะทำหน้าที่เหมือนลูกบิลเลียดกระดอนกัน อุณหภูมิที่ต่ำกว่าจะลดความเร็วลง หากอุณหภูมิต่ำเพียงพอ (หนึ่งในพันล้านองศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์) และอะตอมถูกอัดแน่นเพียงพอ คลื่นของสารต่าง ๆ จะ "รู้สึก" ซึ่งกันและกันและประสานกันราวกับว่าพวกมันเป็น "ซูเปอร์อะตอม" ขนาดใหญ่
นักฟิสิกส์ Eric Cornell และ Carl Wieman จากนั้นที่ห้องปฏิบัติการ JILA ของมหาวิทยาลัยโคโลราโด ได้สร้าง BECs แรกในห้องทดลองในปี 1995 การใช้กับดักเลเซอร์ทำให้ก๊าซรูบิเดียมเย็นลงประมาณ 10 ล้านอะตอม อะตอมที่เย็นลงถูกยึดไว้โดยสนามแม่เหล็ก แต่อะตอมยังไม่เย็นพอที่จะก่อตัวเป็น BEC ดังนั้นพวกเขาจึงเพิ่มขั้นตอนที่สอง การทำความเย็นแบบระเหย ซึ่งเครือข่ายของสนามแม่เหล็กประสานกันเพื่อกำจัดอะตอมที่ร้อนที่สุดเพื่อให้อะตอมที่เย็นกว่าเข้ามาใกล้กันมากขึ้น กระบวนการนี้ทำงานในลักษณะเดียวกับการทำความเย็นแบบระเหยที่เกิดขึ้นกับถ้วยกาแฟยามเช้าของคุณ อะตอมที่ร้อนขึ้นจะลอยขึ้นไปที่ด้านบนของกับดักแม่เหล็กและ "พุ่งออกมา" เป็นไอ
ภายในเดือนกันยายน พ.ศ. 2544 ทีมมากกว่าสามโหลได้ทำการทดลองซ้ำ การค้นพบนี้เป็นจุดเริ่มต้นของสาขาฟิสิกส์ใหม่อย่างสมบูรณ์ BEC ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้สำรวจโลกเล็ก ๆ ที่แปลกประหลาดของฟิสิกส์ควอนตัมราวกับว่าพวกเขากำลังมองผ่านแว่นขยาย BEC "ขยาย" อะตอมในลักษณะเดียวกับที่เลเซอร์ขยายโฟตอน Wiemann, Cornell และ Wolfgang Ketterle ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2544 สำหรับความสำเร็จของพวกเขา
การทดลองของเยอรมัน MAIUS 1 (Mother Wave Interferometry in Microgravity) ได้สร้าง BEC ในอวกาศในปี 2560 ในระหว่างช่วงเวลาหกนาทีของการบินด้วยแรงโน้มถ่วงบนจรวดที่ส่งเสียง อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการที่จำเป็นในการสร้าง BEC บนโลกนั้นใช้เวลาน้อยกว่า 1 m3 และต้องการเพียงประมาณ 510 วัตต์ในการทำงาน ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการทดลองบน ISS เครื่องมือ CAL ได้รับการติดตั้งบนเครื่องในเดือนพฤษภาคม 2018 โรงงานแห่งนี้กำลังใช้อะตอมของรูบิเดียมเพื่อสร้างบีอีซี แต่มีแผนที่จะรวมอะตอมโพแทสเซียมในส่วนผสมเพื่อศึกษาฟิสิกส์ของบีอีซีแบบผสม
นี่เป็นความก้าวหน้าที่สำคัญเนื่องจาก BEC ที่สร้างขึ้นในอวกาศมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าในห้องปฏิบัติการภาคพื้นดิน แม้จะปิดกับดักแบบปิดแล้วก็ตาม ทำให้นักฟิสิกส์มีเวลามากขึ้นในการศึกษาสถานะของสสารที่แปลกใหม่ - หนึ่งวินาทีเมื่อเทียบกับเศษเสี้ยววินาที. บนพื้นดิน. ตามที่ Neil Patel อธิบายในการทบทวนเทคโนโลยี
เพื่อทำการทดลองโดยใช้ BEC เราจำเป็นต้องปิดหรือปล่อยกับดักแม่เหล็กเมฆของอะตอมจะขยายตัว ซึ่งเป็นประโยชน์เพราะ BEC จะต้องยังคงเย็นและก๊าซมีแนวโน้มที่จะเย็นลงเมื่อขยายตัว แต่ถ้าอะตอมใน BEC อยู่ห่างกันเกินไป พวกมันก็จะไม่มีพฤติกรรมเหมือนการควบแน่นอีกต่อไป นี่คือจุดที่แรงโน้มถ่วงต่ำของวงโคจรโลกเข้ามาเล่น หากคุณพยายามที่จะเพิ่มปริมาณบนโลก David Evelyn นักฟิสิกส์ JPL ผู้เขียนร่วมของบทความล่าสุดใน Nature กล่าว แรงโน้มถ่วงจะดึงอะตอมที่อยู่ตรงกลางของเมฆ BEC ลงไปที่ด้านล่างของกับดักจนกว่ามันจะหกออกมา ทำให้คอนเดนเสทบิดเบี้ยวหรือทำลายจนหมด
แต่ในสภาวะไร้น้ำหนัก เครื่องมือใน CAL สามารถยึดอะตอมไว้ด้วยกันแม้ว่าปริมาตรของกับดักจะเพิ่มขึ้นก็ตาม สิ่งนี้ทำให้คอนเดนเสทมีอายุยืนยาวขึ้น ซึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาคอนเดนเสทได้นานกว่าที่พวกมันจะทำได้บนโลก (การสาธิตครั้งแรกมีความยาว 1.18 วินาที แม้ว่าเป้าหมายคือการสำรวจเมฆเป็นเวลา 10 วินาที))
“เราจะทำการทดลองบีอีซีทุกวันเป็นเวลาหลายชั่วโมงต่อวัน” เอเวลินกล่าว เครื่องมือนี้ถูกควบคุมจากระยะไกลอย่างสมบูรณ์ เราเรียกใช้จากคอมพิวเตอร์บนโลก"
เดิมที CAL ควรจะทำงานประมาณหนึ่งปีก่อนที่จะจำเป็นต้องมีอะไหล่ แต่นักบินอวกาศบน ISS โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Christina Koch กำลังดำเนินการบำรุงรักษาที่สำคัญเพื่อยืดอายุการใช้งาน เครื่องมือนี้ใช้งานมาเป็นเวลาสองปีเต็ม การปรับปรุงล่าสุดรวมถึง atomic interferometer ซึ่งสามารถใช้ BEC เพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงของแรงโน้มถ่วงบนพื้นผิวของดาวเคราะห์ได้ ในที่สุด BEC ยังสามารถตรวจจับ axions อนุภาคสสารมืดเย็นในทางทฤษฎี หรือถูกใช้เพื่อค้นหาแหล่งที่มาของพลังงานมืด
“ในอดีต ความเข้าใจหลักของเราเกี่ยวกับการทำงานภายในของธรรมชาตินั้นมาจากเครื่องเร่งอนุภาคและหอสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์” Robert Thompson ผู้เขียนร่วมของ Caltech กล่าว "ฉันเชื่อว่าการวัดที่แม่นยำโดยใช้อะตอมเย็นจะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในอนาคต"