Az egyre alacsonyabb hőmérsékletek elérésére irányuló tudományos verseny újabb mérföldkőhöz érkezett: kínai űrhajósok a valaha mért leghidegebb állapotot hozták létre. Bár a hidegrekordok a Földön is viszonylag gyakran dőlnek meg, ez az első alkalom, hogy az űrben sikerült ilyen drasztikus eredményt elérni – a mostani érték a korábbi űrbéli rekord hőmérsékletének alig több mint negyede.
Az abszolút nulla fok megközelítése jóval több, mint puszta rekordhajhászás. A túlhűtött gázok úgynevezett Bose–Einstein-kondenzátumokat (BEC) alkothatnak, ahol több ezer, vagy akár millió atom mutat egyszerre a szubatomi részecskékre jellemző kvantumviselkedést.
Ennek a makroszkopikus méretű kvantumjelenségnek a vizsgálata lehetővé teszi a kutatók számára, hogy a kvantumvilágot olyan módon tanulmányozzák, ami normál körülmények között lehetetlen lenne. Felmerült továbbá, hogy ez a fajta extrém hűtés a fejlettebb gravitációshullám-kísérletek mellett a sötét energia kutatásában is kulcsfontosságú szerepet játszhat.
A Földön azonban az ehhez hasonló kísérletek hamar fizikai korlátokba ütköznek. Az új rekordról szóló tanulmány szerzői megjegyzik, hogy a földi gravitáció gátat szab a további hűtésnek: a gravitációs süllyedés hatásainak ellensúlyozására és az atomok egyben tartására a párolgási hűtés során szükség van egy úgynevezett minimális csapdafrekvenciára, ami végső soron limitálja az elérhető legalacsonyabb hőmérsékletet. Így hiába értek el a Földön 3,5×10⁻⁶ kelvin (K) fokot, egyes kutatásokhoz ez még mindig nem elég hideg.
Egyre hidegebb lesz
A földi gravitáció ellensúlyozására az egyik megoldás a mágnesek használata, amelyekkel lebegtetni lehet a gázmolekulákat. A kutatók szerint azonban ez „maradék görbületet” (residual curvature) okoz a mágneses mezőben, ami szintén akadályozza a további hűtést.
Egy másik megközelítés, amikor az atomokat egy magas toronyban ejtik le, vagy úgynevezett zéró-gravitációs repülőgépeken (parabola-repüléseken) lebegtetik őket, ideiglenesen szimulálva a mikrogravitációt. Ezekkel a módszerekkel korábban 3,8×10⁻¹¹ K hőmérsékletet is elértek. A probléma az, hogy amint a repülőgép felhúz, vagy az ejtés véget ér, a mikrogravitációs állapot megszűnik, így ezt a rekordhideget mindössze 2 másodpercig tudták fenntartani.
Ha a tudósok meg akarják hosszabbítani a túlhűtött anyagok élettartamát, a legbiztosabb megoldás az alacsony Föld körüli pálya.
Ennek érdekében több kínai intézmény kutatócsoportja küldte fel speciális berendezéseit a Tiengung Űrállomásra. A kísérlet során húszezer rubídiumatomot hűtöttek le 9,7 pikokelvinre, ami mindössze 9,7×10⁻¹² fokkal van az abszolút nulla felett.
A csapat a kísérlet során az úgynevezett optikai dipólcsapda-módszert alkalmazta. Ennek lényege, hogy lézerekkel lassítják le, és ezáltal hűtik az atomokat, amelyek így szinte minden mozgási energiájukat elveszítik, és elérik a 6 nanokelvin hőmérsékletet (egy nanokelvin a kelvin egybilliomod része).
Ezeket az atomokat ezután 7 másodpercig hagyták tágulni, aminek következtében a rendszer még tovább hűlt, egészen a mostani, 9,7 pikokelvines (pK) rekordhőmérsékletig. Természetesen egy ilyen állapotban lévő gázfelhőbe nem lehet fizikai hőmérőt dugni; a hőmérsékletet a tágulási energia pontos megfigyeléséből számítják ki.
Nem ez az első eset, hogy az űrben a pikokelvines tartományba eső hőmérsékletet értek el. 2022-ben a Nemzetközi Űrállomás (ISS) Hideg Atom Laboratóriuma egy másodpercig 52 pikokelvines hideget tartott fenn – írta az IFLScience.
