Фізики на борту китайської космічної станції «Тяньгун» досягли рекордно низької еквівалентної температури — лише 9,7 пі кельвіна. Це приблизно у 280 мільярдів разів нижче за середню температуру космічного мікрохвильового фону, яка становить близько 2,7 К. Результати експерименту опублікували в журналі Science.

Абсолютний нуль, що дорівнює 0 К, є теоретичною нижньою межею температури. Досягти її неможливо, однак за наднизьких температур речовина починає демонструвати незвичайні квантові властивості. Один із прикладів — конденсат Бозе — Ейнштейна, у якому атоми переходять у спільний квантовий стан і поводяться майже як єдиний об’єкт.

Для експерименту команда під керівництвом фізиків Сяоцзі Чжоу та Сюйцзун Ченя з Пекінського університету й Вейбяо Ченя з Китайської академії наук використала атоми рубідію-87. Спочатку їх охолодили лазерами в оптичній пастці, а потім застосували випарне охолодження: найенергійнішим атомам дозволяли залишати хмару, завдяки чому середня енергія решти частинок зменшувалася.

У невагомості цей процес ускладнюється, оскільки атоми не віддаляються від пастки під дією гравітації. Щоб компенсувати цю особливість, науковці створили магнітний градієнт, який імітував вплив тяжіння. У результаті вдалося отримати конденсат приблизно з 20 тисяч атомів за температури 3,1 нанокельвіна.

Потім хмару перенесли в ширшу оптичну пастку та поступово послабили її. Після вимкнення утримувального поля атоми почали розширюватися настільки повільно, що їх можна було спостерігати навіть через сім секунд. За швидкістю цього розширення дослідники обчислили еквівалентну температуру — 9,7 пі кельвіна.

Важливо, що це не звичайне вимірювання температури, а оцінка енергії руху атомної хмари за швидкістю її розширення. Такий показник має практичне значення: що повільніше розсіюються атоми, то довше їх можна спостерігати й використовувати для точних вимірювань.

Результат може допомогти розвитку квантових сенсорів. Зокрема, надхолодні атоми можна застосовувати в атомній інтерферометрії — методі, що використовує хвильові властивості атомів для вимірювання надзвичайно малих змін навколишнього середовища. У перспективі це дасть змогу точніше перевіряти фундаментальні фізичні принципи, зокрема принцип еквівалентності, згідно з яким гравітація однаково впливає на об’єкти незалежно від їхньої маси чи складу.

Науковці також сподіваються, що подібні установки на орбіті допоможуть досліджувати екзотичні стани матерії, які складно відтворити в земних лабораторіях.