Vědci vytvořili v mikrogravitaci směs kvantových plynů rubidia a draslíku

Mezinárodnímu týmu výzkumníků se podařilo úspěšně vyprodukovat atomové kvantové plynové směsi v podmínkách mikrogravitace, přičemž zaznamenali nevídaný tok částic. Výsledky experimentů byly publikovány v odborném časopise Nature Communications.

Studie vznikla ve spolupráci vědců z několika institucí, klíčovou roli však hrálo pracoviště na Leibnizově univerzitě v Hannoveru v Německu. Experimenty probíhaly za využití aparátu MAIUS-B, který je určen právě pro výzkum ultrachladných atomových plynů v extrémních podmínkách. Vedle toho výzkumníci využili také zařízení Einstein Elevator, jež umožňuje simulovat stav mikrogravitace přímo na Zemi, aniž by bylo nutné vysílat experiment do vesmíru nebo na palubu letadla provádějícího parabolický let.

Jádrem výzkumu bylo generování a následné studium Bose-Einsteinových kondenzátů (BEC), což je stav hmoty, v němž se atomy chovají jako jediný kvantový celek. Tento jev nastává při extrémně nízkých teplotách blízkých absolutní nule, kdy atomy ztrácejí svou individuální identitu a vykazují kolektivní kvantové vlastnosti. Vědci se v experimentu zaměřili na dva různé atomové druhy – rubidium a draslík – a sledovali, jak se tyto prvky chovají při simultánním ochlazování a následné interakci v podmínkách mikrogravitace.

Vytvoření směsi dvou odlišných atomových druhů v podobě Bose-Einsteinových kondenzátů představuje technicky náročný úkol, neboť oba prvky mají odlišné fyzikální vlastnosti a vyžadují specifické podmínky pro dosažení kvantového stavu. Podle vědců se v rámci experimentů podařilo dosáhnout nevídaného toku částic, což autoři práce označují za významný pokrok v oblasti kvantové fyziky ultrachladných plynů.

Mikrogravitační prostředí hraje v těchto experimentech klíčovou roli. Na Zemi je běžné chování atomových plynů silně ovlivněno gravitací, která limituje dobu, po kterou lze kondenzát studovat, než atomy vlivem gravitačního působení opustí měřicí oblast. V mikrogravitaci tento problém odpadá, a atomy tak mohou zůstat v pozorovatelném prostoru mnohem déle, což umožňuje detailnější a přesnější měření kvantových jevů.

Zařízení Einstein Elevator, umístěné na Leibnizově univerzitě v Hannoveru, umožňuje opakovaně simulovat mikrogravitační podmínky formou volného pádu v kontrolovaném prostředí. Tento přístup je výhodný oproti experimentům provozovaným na oběžné dráze nebo při letech se sníženou gravitací, protože umožňuje rychlejší opakování měření a nižší finanční i logistickou náročnost.

Aparát MAIUS-B, využitý v rámci publikovaných experimentů, navazuje na dřívější mise zaměřené na testování kvantových technologií v podmínkách beztíže. Tyto systémy jsou vyvíjeny s ohledem na budoucí využití v oblasti přesných měření, včetně vylepšených atomových hodin nebo senzorů pro detekci gravitačních vln a jiných jemných fyzikálních jevů.

Výsledky výzkumu mají potenciální přesah do několika oblastí. Přesnější pochopení chování Bose-Einsteinových kondenzátů ve směsích různých atomových druhů může přispět k rozvoji kvantových senzorů nové generace, které by mohly nalézt uplatnění například v navigaci nebo geodetickém měření. Zároveň mikrogravitační experimenty tohoto typu poskytují cenná data pro budoucí mise, které by mohly podobné technologie testovat přímo ve vesmírném prostředí.

Mezinárodní spolupráce na projektu potvrzuje rostoucí význam experimentální kvantové fyziky, která spojuje teoretické poznatky s pokročilými technologickými řešeními. Publikace v Nature Communications potvrzuje, že výzkum splňuje vysoké nároky na vědeckou kvalitu a relevanci pro širší odbornou komunitu.

Vědci předpokládají, že další fáze výzkumu se zaměří na rozšíření experimentů s odlišnými kombinacemi atomových druhů a na zlepšení technických parametrů aparátu MAIUS-B i systému Einstein Elevator. Cílem je dosáhnout ještě přesnějších měření a lépe porozumět fundamentálním kvantovým interakcím mezi různými typy atomů v extrémních podmínkách, jaké mikrogravitace nabízí.