Her stiger Bose-Einstein-kondensatet fram fra en sky med rubidium-atomer. I bildet til høyre har det dannet seg et nesten rent kondensat, hvor svært mange atomer har samlet seg til en større enhet. Dette bildet er fra et tidligere eksperiment med langt færre atomer, men effekten er den samme som i det nye eksperimentet.
Her stiger Bose-Einstein-kondensatet fram fra en sky med rubidium-atomer. I bildet til høyre har det dannet seg et nesten rent kondensat, hvor svært mange atomer har samlet seg til en større enhet. Dette bildet er fra et tidligere eksperiment med langt færre atomer, men effekten er den samme som i det nye eksperimentet.

Dette materialet bringer kvantefysikken inn i vår verden

En helt spesiell kvantemekanisk materie har blitt laget på den internasjonale romstasjonen. Bose-Einsten-kondensat ble forutsett av fysikerne Satyendra Bose og Albert Einstein, lenge før vi kunne lage det.

Publisert

Såvidt forskerne vet, finnes det knapt noe sted i hele universet som er kaldere enn Cold Atom Lab på den internasjonale romstasjonen.

Inne i dette eksperimentet kan atomer kjøles ned til noen få milliarddeler av grader over det absolutte nullpunktet, som er -273,15 grader Celsius, eller 0 grader Kelvin - temperaturskalaen som begynner på absolutt null.

Selv i tomrommet mellom stjernene er det ikke så kaldt som inne i disse eksperimentene. Verdensrommet ligger på rundt 2,7 grader Kelvin i snitt, altså 2,7 grader over det absolutte nullpunkt.

Og når atomer blir så unaturlig kalde, kan det oppstå helt spesielle kvantemekaniske fenomener mellom dem.

Denne litt anonyme boksen kan være universets kaldeste sted. Den ble installert på romstasjonen i 2018.
Denne litt anonyme boksen kan være universets kaldeste sted. Den ble installert på romstasjonen i 2018.

Ett av disse ble forutsett av matematikeren Satyendra Bose og Albert Einstein på 1920-tallet. De fant en teoretisk mulighet for at en ny fase av materie kunne oppstå med visse typer partikler hvis temperaturen ble lav nok.

Dette er Bose-Einstein-kondensatet, som er resultatet av flere tusen atomer som strekkes utover - og begynner å gå inn i hverandre og fullstendig slutte seg sammen.

Den indiske matematikeren og fysikeren Satyendra Bose i 1925.
Den indiske matematikeren og fysikeren Satyendra Bose i 1925.

Ved normale temperaturer oppfører disse atomene seg som små kuler som slår inn i hverandre, i en gass. Men når temperaturen blir lav nok, vil atomenes grunnleggende egenskaper gjøre at de ikke lengre kan sees på som individuelle atomer.

Flere titusener atomer skaper det som kalles en enkelt makroskopisk bølgepakke, som en bølge av materie. Akkurat hva dette betyr skal vi komme tilbake til.

Det er mange nok atomer til å ta steget over fra den knøttlille kvanteskalaen, som måles i milliardeler av meter, til å kunne måles i brøkdeler av en millimeter.

– Vi brakte det nesten til menneskelige skalaer. Vi kan dytte og stikke i det på en måte som aldri har blitt gjort før, sa fysikeren Carl Wiemann i forbindelse med de første Bose-Einstein-kondensatene som ble laget, ifølge Encyclopedia Britannica. Han var med på å motta Nobelprisen for arbeidet i 2001.

– Dette kan bare forklares som rene kvantemekaniske effekter, sier Asle Sudbø til forskning.no. Han er professor i fysikk ved NTNU, og jobber med kvantemekaniske fenomener som oppstår ved veldig lave temperaturer.

Men dette er kompliserte effekter, så vi skal prøve å gjøre et forsøk på å få et grep på hva dette egentlig er for noe, og hva det kanskje kan fortelle oss.

Kvantefysikk på romstasjonen

Det nye eksperimentet ble altså satt i gang på den internasjonale romstasjonen, og det består av flere systemer som kjøler ned atomer av grunnstoff-isotopet Rubidium-87 til noen milliardeler over absolutt null.

Eksperimentet gjøres på romstasjonen for å fjerne så mye påvirkning fra tyngdekraften som mulig, fordi fenomenet kollapser i løpet av nanosekunder i vår vanlige tyngdekraft. Mindre tyngdekraft gjør forskerne kan studere fenomenet lengre, og de kan lage større kondensater av flere atomer.

I en ny studie i tidsskriftet Nature beskriver forskerne hvordan de har observert Bose-Einstein-kondensat på romstasjonen.

Dette er langt fra første gang et Bose-Einstein-kondensat har blitt framstilt. Selv om den teoretiske muligheten for at fenomenet kunne oppstå har vært kjent siden 1920-tallet, tok det lang tid før teknologien gjorde det mulig å gjøre atomer så ekstremt kalde.

I 1995 ble det framstilt et slikt kondensat for første gang, av en forskergruppe ved Massachusetts Institute of Technology (MIT). De vant Nobelprisen i fysikk i 2001 for arbeidet, og apparatene som skulle til for å få dette til fylte et svært rom.

Siden den gang har det framstilt slike kondensater i eksperimenter over hele verden, og teknikken har blitt utviklet så langt at det meste av utstyret får plass i en boks på størrelse med et lite kjøleskap.

Laserkjøling

– Jeg synes dette er et imponerende eksperiment, og den graden av miniatyrisering er ekstremt imponerende fra et ingeniørperspektiv, sier Sudbø om eksperimentet på romstasjonen til forskning.no.

Eksperimentet på romstasjonen går ut på å holde over 40 000 atomer i en magnetisk felle, slik at de kan kjøles ned. Kjølingen foregår hovedsakelig med lasere, med det som kalles laserkjøling.

Slik framstiller NASA innsiden av Cold Atom Lab, hvor laserne kjøler ned atomene inne i den magnetiske fellen.
Slik framstiller NASA innsiden av Cold Atom Lab, hvor laserne kjøler ned atomene inne i den magnetiske fellen.

Det er en teknikk som bruker laserstråler til å sakke ned atomene. Det vi føler som varmt eller kaldt er egentlig bevegelse i atomene. Et atom som vibrerer mye, er varmt. Jo mindre denne ristingen blir, jo kaldere blir atomet.

Eksperimentet bruker også flere andre teknikker for å få temperaturen på atomene enda lengre ned, og du kan lese mer om detaljene i eksperimentet på nettsidene til NASA.

Inne i atom-fellen dannes Bose-Einstein-kondensatet, og når fellen åpnes, kan materialet observeres og eksperimenteres med.

Men kondensatet er svært skjørt. Når skyen slippes ut, ekspanderer den raskt. I jordas tyngdefelt blir atomene påvirket av tyngdekraften, og kondensatet blir forstyrret og kan dette raskt fra hverandre.

Hele denne prosessen går mye saktere i mikrotyngdekraften på romstasjonen, og forskerne rapporterer at Bose-Einstein-kondensatet varte i mer enn ett sekund. Forskerne mener de kan få kondensatet til å vare i mer enn 10 sekunder etterhvert som eksperimentet blir videreutviklet, ifølge magasinet MIT technology Review.

Det høres ikke så lenge ut, men det gir forskerne mye tid til å studere kondensatet. Cold Atomic Lab kan se på endringer i løpet av billiarddels-sekunder - eller femtosekunder.

Men hva er det egentlig som skjer her? Hva er det som gjør at enkeltatomer kan gå over i hverandre og gå over til en annen type materiale?

Bølgepakker

Kvantefysikken har vist at partiklene - som blant annet bygger opp atomer - ikke er små klinkekuler. De er noe helt annet, og akkurat hva som finnes på naturens dypere nivå er fortsatt uvisst. Men de matematiske beskrivelsene av hva som skjer har vist seg å være svært presise.

Teorien som gang på gang har vist seg å beskrive kvanteverdenen på best mulig måte kalles kvanefeltteori, og du kan lese langt mer inngående om teorien i denne forskning.no-saken fra 2019. Denne teorien gir opphav til Standarmodellen - beskrivelsen av de fundamentale partiklene fysikerne vet om.

Og ifølge disse teoriene og mange eksperimenter, er partikler og atomer langt mer uklare enn små klinkekuler. En beskrivelse som går igjen er bølgepakker, vibrasjoner i kvantefeltene som gir opphav til partikler. Samtidig er partiklene noe annet, et ikke-intuitivt kvantefenomen som ikke kan sammenlignes direkte med noe på vår skala.

Dette blir kalt bølge-partikkel-dualitet, siden alle disse partiklene kan både oppføre seg som bølger og partikler i forskjellige omstendigheter. Og denne bølgenaturen hos atomer er der hele tiden, men det kan framprovoseres av veldig lave temperaturer.

En bølgepakke. Slik kan atomet eller partikkelen representeres
En bølgepakke. Slik kan atomet eller partikkelen representeres

En forenklet måte å representere dette fenomenet på, er med en gaussisk bølgepakke. Hvis en slik bølgepakke representerer et rubidium-atom fra eksperimentet, vil den strekkes ut, og avstanden mellom bølgene blir lengre og lengre når temperaturen nærmer seg absolutt null.

I Bose-Einstein-kondensat vil alle atomene gjøre det samme, og etterhvert overlapper de hverandre. Fra å oppføre seg som små klinkekuler som slår inn i hverandre, går hvert atom inn i en større enhet med alle de andre atomene.

– Da må du beskrive hele systemet som én enkelt makroskopisk bølgepakke, sier Asle Sudbø.

– En annen måte å se det på er ringer fra to steiner som kastes i en dam. Når ringene møter hverandre, dannes det et interferensmønster. Noen ringer forsterker hverandre og noen utsletter hverandre.

Som sagt, kan ikke alle partikler eller atomer danne slike Bose-Einstein-kondensat. Dette gjelder bare partiklene som oppfører seg som bosoner, oppkalt etter matematikeren Satyendra Bose. Andre typer partikler kan ikke okkupere den samme kvantetilstanden som hverandre, men det kan altså bosonene.

Noen partikler, som lyspartiklene fotoner, oppfører seg alltid som bølger, selv ved helt vanlig romtemperatur. Dette henger sammen med atomets eller partikkelens masse. Jo større masse, jo nærmere ned mot absolutt null må det kjøles ned for å gjøre bølgenaturen synlig.

Ukjent terreng

Og Asle Sudbø tror Bose-Einstein-kondensat kan gi ny innsikt i fundamental fysikk.

– Du kan for eksempel studere samspillet mellom gravitasjon og makropskopiske kvantesystemer med slike kondensater.

Et av de store problemene i moderne fysikk er hvordan kvantefysikk og Einsteins relativitetsteori henger sammen. Begge modellene bekreftes gang på gang og beskriver svært godt hva som skjer på hver sin skala, enten det bittelille eller det astronomiske. Men Einsteins tyngdekraft kan ikke puttes inn i kvantemekanikken, da bryter en del av matematikken sammen.

Derfor må det være noe mer som foregår under panseret, og dette problemet har ligget der siden kvantefysikken ble utformet på 1920-tallet.

Sudbø forteller at du kan studere hvordan gravitasjonen virker på Bose-Einstein-kondensatet, og utsette kondensatet for forskjellige grader av tyngdekraft. Siden eksperimentet foregår på romstasjonen, kan man for eksempel sette eksperimentet i en sentrifuge, og utsette kondensatet for grader av simulert tyngdekraft.

– Det kommer neppe til å løse problemet, men det kan være et steg på veien.

– Dette er et eksperiment i ukjent territorium.

Samtidig er Bose-Einstein-kondensater såpass eksotiske at det fortsatt er mye å finne ut. Kondensatene kan brukes til å utforske mange forskjellige kvantefysiske fenomener, som for eksempel å lage modeller av sorte hull, og så undersøke kvantefenomener i forbindelse med dette, ifølge MIT Technoloy review.

Referanse:

Aveline mfl: Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab. Nature, 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2346-1 . Sammendrag