Ученые из Лаборатории холодных атомов NASA впервые измерили конденсат Бозе — Эйнштейна из атомов рубидия-87 на МКС в условиях постоянной невесомости (микрогравитации). Как сообщается в Nature, микрогравитация позволила достичь рекордных характеристик конденсата: время свободного расширения после выключения ловушки превысило секунду, а эффективная температура опустилась ниже нанокельвина.

Конденсатом Бозе — Эйнштейна называют такое агрегатное состояние вещества, при котором заметная доля атомов находится в самом низкоэнергетическом квантовом состоянии, или основном состоянии. При этом эти атомы ведут себя как единый квантовый объект с общей волновой функцией. Конденсат Бозе — Эйнштейна возникает в разреженном газе частиц-бозонов при охлаждении ниже критической температуры. Эта температура зависит от фундаментальных физических констант (постоянная Планка, постоянная Больцмана), также она обратно пропорциональна массе одиночного бозона m и прямо пропорциональна n^2/3, где n — концентрация бозонов в газе.

В отличие от других макроскопических квантовые явлений, связанных с бозе-конденсацией — сверхтекучести и сверхпроводимости — всестороннее изучение которых началось в первой половине XX века, контролируемо получить конденсат из облака отдельных атомов оказалось сложной задачей. Атомы гораздо массивнее куперовских пар, отвечающих за сверхпроводимость, поэтому критическая температура конденсации в атомном газе на порядки ниже, чем температура перехода металла в сверхпроводящее состояние.

Впервые ученые из университета Колорадо смогли получить конденсат атомов рубидия-87 в 1995 году при помощи изобретенной в 1980-х методики лазерного охлаждения и магнитного испарительного охлаждения. Конденсация произошла при температуре около 170 нанокельвин. Несколькими месяцами позже в том же году группа ученых из MIT создала бозе-конденсат из атомов натрия-23 и в том числе показала квантовую интерференцию между двумя различными конденсатами.

Конденсат крайне чувствителен к влиянию гравитации, которая может выбивать атомы из ловушки и препятствовать эффективному охлаждению. Эта чувствительность позволяет использовать конденсат Бозе — Эйнштейна для инерционных акселерометров с чувствительностью менее 10^-3 g. Разработку и совершенствование таких сенсоров крайне удобно проводить в условиях микрогравитации (невесомости), которая также способствует увеличению числа атомов в конденсате и дальнейшему понижению его температуры.

В прошлом ученые предпринимали немало усилий для компенсации гравитационного поля Земли, действующего на конденсат. Как правило, эти решения были достаточно громоздкими и требовали использования специальных лифтов, создания ультравысоковакуумных камер 10-метровой высоты или прочных установок, которые свободно падали со 120-метровой высоты внутри башни падения (которая находится в центре прикладных космических технологий и микрогравитации (ZARM) Бременского университета) и могли выдержать перегрузки до 50g.

В одном из последних экспериментов ученые изучали конденсат рубидия-87 в невесомости при помощи размещения установки на борту метеорологической MAIUS-1, которая поднялась на высоту более 240 километров и провела в свободном падении около шести минут. Следующий логичный шаг в этом направлении — выведение полноценной экспериментальной установки на МКС (то есть на низкую околоземную орбиту) для долговременного изучения конденсата в условиях невесомости.

Ученые из Лаборатории холодных атомов NASA под руководством Роберта Томпсона (Robert J. Thompson) продемонстрировали результаты измерений конденсата в полностью автономной установке EXPRESS, которая была доставлена на МКС в 2018 году, а затем развернута и запущена при помощи астронавтов.