空间站上的超冷气泡为量子研究开辟了新的途径

在NASA的冷原子实验室内，科学家们用超冷气体形成气泡，这幅插图以粉红色显示。激光，也描绘，用于冷却原子，而原子芯片，以灰色表示，产生磁场来操纵它们的形状，结合无线电波。图片来源：NASA/JPL-Caltech

在NASA的冷原子实验室内生产的超冷气泡为实验奇异物质状态提供了新的机会。

自NASA阿波罗计划以来，宇航员已经记录了（并讨论了）液体在微重力下的行为与在地球上的行为有何不同 - 聚集成漂浮球而不是底部沉重的液滴。现在，研究人员已经用一种更奇特的材料证明了这种效应：气体冷却到接近绝对零度（零下459华氏度，或零下273摄氏度），这是物质可以达到的最低温度。

利用美国宇航局的冷原子实验室（Cold Atom Lab），这是国际空间站上有史以来第一个量子物理设施，研究人员采集了冷却到绝对零度以上百万分之一度的原子样本，并将它们塑造成极其薄的空心球体。冷气体从一个小的圆形斑点开始，就像蛋黄一样，然后被雕刻成更像薄蛋壳的东西。在地球上，类似的尝试都失败了：原子向下聚集，形成比气泡更接近隐形眼镜的东西。

这一里程碑 - 在5月18日星期三发表在《自然》杂志上的一篇新论文中有所描述 - 只有在空间站的微重力环境中才有可能。

超冷气泡最终可用于具有更奇特物质的新实验：第五种物质状态（与气体，液体，固体和等离子体不同），称为玻色 - 爱因斯坦凝聚物（BEC）。在BEC中，科学家可以在肉眼可见的尺度上观察原子的量子性质。例如，原子和粒子有时表现得像固体物体，有时表现得像波——这是一种称为“波粒二象性”的量子特性。

这项工作不需要宇航员的帮助。超冷气泡是在冷原子实验室紧密密封的真空室内制成的，使用磁场轻轻地将气体操纵成不同的形状。实验室本身-大约是一个微型冰箱的大小-是从JPL远程操作的。

最大的气泡直径约为1毫米，厚度约为1微米（即千分之一毫米，或0.00004英寸）。它们是如此的薄和稀薄，以至于只有数千个原子组成它们。相比之下，地球上一立方毫米的空气含有大约十亿个分子。

“这些不像普通的肥皂泡，”大卫·艾弗琳（David Aveline）说，他是这项新工作的主要作者，也是美国宇航局南加州喷气推进实验室冷原子实验室科学团队的成员。“我们在自然界中所知道的任何东西都不会像冷原子实验室产生的原子气体那样冷。因此，我们从这种非常独特的气体开始，研究当形成根本不同的几何形状时它的行为。而且，从历史上看，当材料以这种方式纵时，非常有趣的物理学就会出现，以及新的应用。

为什么它“重要”

将材料暴露在不同的物理条件下是理解它们的核心。这通常也是寻找这些材料实际应用的第一步。

使用冷原子实验室在空间站上进行这些类型的实验，使科学家能够消除重力的影响，重力通常是影响流体运动和行为的主导力。通过这样做，科学家可以更好地了解其他因素，例如液体的表面张力或粘度。

现在科学家们已经创造了超冷气泡，他们的下一步将是将构成气泡的超冷气体过渡到BEC状态，看看它的行为。

“一些理论研究表明，如果我们处理这些处于BEC状态的气泡之一，我们可能能够在量子材料中形成漩涡 - 基本上是小漩涡 - ”内森伦德布拉德说，他是缅因州刘易斯顿贝茨学院的物理学教授，也是这项新研究的首席研究员。“这是物理配置的一个例子，可以帮助我们更好地了解BEC性质，并更深入地了解量子物质的本质。

量子科学领域导致了晶体管和激光等现代技术的发展。在地球轨道上进行的量子研究可能导致航天器导航系统和传感器的改进，以研究地球和其他太阳系天体。超冷原子设施已经在地球上运行了几十年;然而，在太空中，研究人员可以以新的方式研究超冷原子和BEC，因为重力的影响减少了。这使得研究人员能够定期达到更冷的温度，并比在地球上观察现象的时间更长。

“我们与冷原子实验室的主要目标是基础研究 - 我们希望利用空间站独特的空间环境来探索物质的量子性质，”JPL冷原子实验室的项目科学家Jason Williams说。“在新几何中研究超冷原子就是一个完美的例子。