China laporkan rekod penyejukan atom kepada 9.7 pikokelvin di stesen angkasanya

Awan atom pada suhu hampir sifar mutlak

Saintis China telah menyejukkan awan atom rubidium di dalam modul makmal Mengtian di stesen angkasa China kepada suhu setara 9.7 pikokelvin, menurut pasukan penyelidik, sambil memerhatikan pengembangannya selama tujuh saat. Hasil ini menggabungkan suhu yang amat rendah dengan tempoh pemerhatian yang panjang, dua keadaan yang boleh membantu saintis mengukur graviti dan mengkaji tingkah laku kuantum dengan lebih tepat.

Pusat Teknologi dan Kejuruteraan bagi Penggunaan Angkasa di bawah Akademi Sains China mengumumkan pencapaian itu pada 6 November 2026. Kajian bertajuk Gas kuantum di bawah 10 pikokelvin di angkasa itu diterbitkan dalam talian dalam jurnal Science. Pusat tersebut mengetuai projek berkenaan bersama Universiti Peking dan Institut Optik dan Mekanik Halus Shanghai.

Pasukan itu menyifatkan hasil ini sebagai rekod bagi jirim buatan yang paling sejuk. Angka 9.7 pikokelvin itu kira-kira suku daripada 38 pikokelvin yang dicapai pasukan Universiti Bremen pada 2021, dan kurang daripada satu perlima daripada 52 pikokelvin yang dicapai Makmal Atom Sejuk NASA di Stesen Angkasa Antarabangsa pada 2022.

Satu pikokelvin bersamaan satu trilion kelvin. Oleh itu, angka baharu ini bersamaan 0.0000000000097 kelvin melebihi sifar mutlak, iaitu suhu yang bersamaan dengan minus 273.15 darjah Celsius. Saintis mengira suhu setara ini berdasarkan pengembangan amat perlahan atom yang dilepaskan. Suhu itu menggambarkan gerakan awan atom kecil tersebut di dalam radas.

Kira-kira 400 kilometer di atas Bumi, eksperimen itu memanfaatkan persekitaran mikrograviti stesen angkasa untuk mengurangkan daya yang memerangkap atom dan memerhatikannya lebih lama berbanding kemampuan makmal kecil di Bumi.

Maksud penyejukan atom bagi saintis

Atom rubidium biasanya bergerak dalam pelbagai arah pada kelajuan berbeza. Penyejukan mengurangkan gerakan rawak dalam sekumpulan atom. Pada suhu amat rendah dan ketumpatan yang sesuai, atom boleh membentuk kondensat Bose-Einstein, iaitu keadaan apabila banyak atom berkongsi keadaan kuantum yang sama dan berkelakuan secara kolektif.

Kondensat menyediakan sistem yang lebih besar dan boleh dikawal kepada penyelidik untuk mengkaji kesan yang biasanya dikaitkan dengan zarah individu. Daripada cuba menjejaki satu atom yang bergerak pantas, saintis boleh menyediakan awan tersusun, mengubah persekitarannya dan mengukur tindak balasnya.

Suhu setara dalam eksperimen itu ditentukan berdasarkan kadar pengembangan awan selepas dilepaskan. Awan yang atomnya mempunyai sedikit sahaja gerakan relatif mengembang dengan amat perlahan. Memerhatikan pengembangan itu membantu penyelidik menentukan tenaga yang berkaitan dengan gerakan tersebut.

Sifar mutlak kekal di luar jangkauan menurut hukum termodinamik. Matlamat praktikalnya ialah mengurangkan gerakan atom secukupnya untuk mendedahkan kesan yang lemah dan mengekalkan keadaan eksperimen yang berguna untuk tempoh lebih lama. Dalam eksperimen ini, tujuh saat pemerhatian merupakan bahagian utama pencapaian tersebut.

Mengapa tujuh saat penting di angkasa

Graviti Bumi menimbulkan dua masalah yang saling berkait dalam eksperimen penyejukan. Graviti menarik atom ke bawah ketika penyelidik melemahkan perangkapnya, dan mengehadkan tempoh awan yang dilepaskan boleh kekal di dalam kebuk pemerhatian. Perangkap yang lebih lemah membantu proses penyejukan, tetapi juga kurang berupaya menahan atom daripada jatuh akibat graviti.

Stesen angkasa dan kandungan makmalnya jatuh mengelilingi Bumi secara bersama. Keadaan ini menghasilkan mikrograviti, membolehkan atom kekal berhampiran radas dengan kurungan yang jauh lebih lemah. Saintis kemudian boleh menyejukkannya lagi dan memerhatikan pengembangannya untuk tempoh lebih lama.

Wolfgang Ketterle, profesor fizik di Institut Teknologi Massachusetts dan penerima Hadiah Nobel Fizik 2001, menjelaskan skala masalah bagi eksperimen yang berlangsung selama tujuh saat di Bumi:

Di Bumi, ia akan jatuh kira-kira 250 meter, jadi ia sebenarnya akan terhempas ke tanah melainkan anda mempunyai kebuk vakum setinggi 250 meter,

Makmal orbit menyediakan peluang pemerhatian yang lebih lama itu dalam instrumen kompak. Penyelidik di Bumi mengendalikan peralatannya dari jauh, menggunakan kawalan automatik untuk menjalankan urutan penyejukan yang ditetapkan masanya dengan teliti.

Bagaimana cahaya laser menjadi perangkap atom

Instrumen itu mengandungi kira-kira 5 gram rubidium logam sebagai sumber bekalan atom. Urutan bermula dengan memanaskan logam untuk membebaskan wap. Laser dan medan magnet kemudian memerangkap serta menyejukkan atom daripada wap itu pada peringkat awal, sebelum pasukan memindahkannya ke dalam perangkap yang terbentuk daripada cahaya laser.

Penyelidik menggunakan dua peringkat perangkap optik bersilang. Dalam perangkap optik, alur laser yang disusun dengan teliti mengenakan daya untuk menahan atom di kawasan kecil. Mengurangkan keamatan cahaya menjadikan perangkap itu lebih cetek, lalu membolehkan atom yang lebih bertenaga terlepas. Purata tenaga atom yang tinggal menjadi lebih rendah, menerusi proses yang dipanggil penyejukan penyejatan.

Peringkat akhir menggunakan pengembangan bukan adiabatik, iaitu perubahan kurungan yang terkawal dan membolehkan awan mengembang serta seterusnya mengurangkan gerakan yang dikaitkan dengan suhu berkesannya. Secara gabungan, peringkat-peringkat ini menurunkan suhu awan rubidium kepada kurang daripada 10 pikokelvin.

Mikrograviti turut menimbulkan cabaran teknikal: penyejatan dalam perangkap optik menjadi kurang cekap. Pasukan itu membangunkan kaedah menggunakan kecerunan magnet tambahan, iaitu medan magnet yang kekuatannya berubah mengikut ruang, untuk membantu proses tersebut dan menghasilkan kondensat yang amat tulen.

Perangkap optik kekal sebagai alat utama bagi peringkat penyejukan lanjutan, manakala medan magnet membantu sebahagian proses penyediaan. Penyelarasan kedua-dua peranan itu memerlukan kawalan tepat terhadap keamatan laser, pemasaan dan gangguan persekitaran.

Kaedah berbeza daripada Stesen Angkasa Antarabangsa

Makmal Atom Sejuk NASA menggunakan perangkap magnet yang dibentuk dengan cip atom, penyejatan frekuensi radio dan teknik penyejukan akhir yang melibatkan denyutan singkat. Sebaliknya, pasukan China memilih kurungan optik, penyejatan yang dikawal melalui keamatan cahaya dan penyejukan mendalam melalui pengembangan.

Penyelidik berkata perangkap optik menawarkan fleksibiliti berguna untuk eksperimen masa depan dan mengurangkan kepekaan terhadap gangguan magnet semasa proses kurungan. Berbilang alur laser juga boleh membentuk struktur yang berguna untuk simulasi kuantum, iaitu sistem atom terkawal meniru ciri tertentu sistem fizikal lain.

Rekod terdahulu memberikan dua perbandingan. Hasil 38 pikokelvin Bremen pada 2021 menggunakan menara jatuh untuk menghasilkan tempoh mikrograviti yang singkat. Eksperimen di Stesen Angkasa Antarabangsa mencapai 52 pikokelvin pada 2022. Angka 9.7 pikokelvin yang dilaporkan China kira-kira 3.9 kali lebih rendah berbanding angka Bremen dan kira-kira 5.4 kali lebih rendah berbanding hasil orbit terdahulu.

Eksperimen baharu ini menggabungkan pencapaian suhu tersebut dengan pemerhatian pengembangan selama tujuh saat. Bagi penyelidik yang menyediakan eksperimen berketepatan tinggi, awan yang bergerak perlahan dan boleh diperhatikan untuk tempoh lebih lama mungkin lebih berguna berbanding rekod suhu semata-mata.

Dari ruang makmal ke kabinet orbit

Radas di Bumi menggunakan ruang kira-kira 20 meter padu dan berat sekitar 10 tan. Butiran kejuruteraan menyatakan kabinet orbit bersepadu itu berukuran kira-kira 0.7 meter padu dan seberat 500 kilogram. Pengumuman pusat itu turut menyatakan ukurannya kurang daripada satu meter padu, berat kira-kira 300 kilogram dan penggunaan kuasa sekitar 700 watt; perbezaan angka berat yang dipetik itu tidak dijelaskan.

Berdasarkan angka kejuruteraan terperinci, sistem orbit itu menggunakan kira-kira satu per dua puluh sembilan daripada isipadu sistem di Bumi dan mempunyai satu per dua puluh daripada beratnya. Pengurangan itu memerlukan laser, optik berketepatan tinggi, peralatan vakum dan kawalan elektronik berfungsi secara bersama dalam ruang yang sangat terhad.

Pembangun menggunakan sambungan gentian optik untuk sistem laser, kawalan laser yang tepat, vakum ultra tinggi, elektronik automatik dan pengasingan getaran. Vakum mengurangkan perlanggaran dengan zarah gas yang tidak dikehendaki, manakala pengasingan mengehadkan gangguan mekanikal yang boleh mengganggu awan yang sensitif itu.

Kabinet itu juga mempunyai reka bentuk modular. Penyelidik boleh memilih modul eksperimen dan urutan pemasaan untuk kajian berbeza, membolehkan platform yang sama menyokong beberapa jenis penyelidikan kuantum dan bukan sekadar satu demonstrasi penyejukan.

Penemuan penting sebelum pelancaran

Projek itu memulakan penilaian awal pada 2011, jauh sebelum radas berkenaan tiba di orbit. Cabaran kritikal timbul menjelang akhir 2021, apabila pasukan itu berulang kali gagal menghasilkan kondensat Bose-Einstein yang diperlukan bagi peringkat penyejukan seterusnya.

Pembangun memperoleh tambahan 10 hari untuk menyelesaikan masalah itu sebelum keputusan dibuat sama ada instrumen tersebut akan disertakan dalam penerbangan yang dirancang. Mereka menguji dan melaraskan perkakasan serta perisian di seluruh sistem. Kondensat itu akhirnya terhasil pada awal pagi 8 Januari 2022, sekali gus membuka laluan kepada langkah penting menuju pelancaran.

Pencapaian utama projek ini merangkumi lebih sedekad:

• 2011: Penilaian awal eksperimen atom ultra sejuk di stesen angkasa bermula.
• Akhir 2021: Kesukaran menghasilkan kondensat mengancam penyertaan instrumen itu dalam penerbangan yang dirancang.
• 8 Januari 2022: Pasukan itu menghasilkan kondensat yang diperlukan selepas usaha menyelesaikan masalah secara intensif.
• 2022: Kemudahan itu dibawa ke stesen angkasa dengan menaiki modul makmal Mengtian.
• 6 November 2026: Hasil 9.7 pikokelvin diumumkan dan kajian itu diterbitkan dalam talian dalam jurnal Science.

Profesor Universiti Peking Zhou Xiaoji dan penyelidik Institut Optik dan Mekanik Halus Shanghai, Chen Weibiao, antara penulis koresponden kajian itu. Penyelidik yang dikenal pasti sebagai penulis pertama bersama termasuk Li Tang dari institut Shanghai serta Xiong Wei dan Jin Shengjie dari Universiti Peking.

Pengukuran lebih lama boleh mendedahkan kesan yang lebih lemah

Interferometer atom ialah antara instrumen yang boleh memanfaatkan platform baharu itu. Instrumen ini menggunakan sifat gelombang atom, dengan membahagi dan menggabungkan semula gelombang atom supaya corak yang terhasil mendedahkan kesan seperti pecutan atau graviti.

Ernst M. Rasel, profesor fizik di Universiti Leibniz Hannover, Jerman, menjelaskan keadaan yang diperlukan oleh instrumen ini:

Interferometer atom mendapat banyak manfaat daripada sumber yang membekalkan sejumlah besar atom dalam kumpulan ultra sejuk serta tempoh pemerhatian yang panjang,

Rasel menjelaskan bahawa kepekaan interferometer meningkat mengikut kuasa dua tempoh atom berada dalam instrumen itu. Jika keadaan lain tidak berubah, tempoh dua kali lebih lama boleh meningkatkan tindak balas terhadap kesan yang diukur sebanyak empat kali ganda. Oleh itu, pemerhatian yang lebih lama amat bernilai bagi isyarat yang sangat kecil.

Langkah seterusnya yang dikenal pasti beliau ialah interferometer orbit yang gelombang atomnya kekal terpisah secara koheren selama beberapa saat. Koheren bermaksud mengekalkan hubungan antara gelombang supaya dapat menghasilkan ukuran yang berguna apabila digabungkan semula. Pemerhatian awan selama tujuh saat menjadi titik permulaan bagi pembangunan keupayaan itu.

Penyelidik membayangkan aplikasi dalam pemetaan graviti Bumi, navigasi dan penentuan orbit satelit. Pengukuran graviti yang lebih baik juga dapat membantu menjejaki perubahan pada glasier dan arus laut, kerana pergerakan air dan ais mengubah taburan jisim Bumi.

Platform untuk eksperimen kuantum

Sistem optik itu boleh menyokong kekisi optik, iaitu corak cahaya laser yang menahan atom dalam susunan seakan-akan hablur. Dengan mengubah susunan dan interaksi, penyelidik boleh mengkaji tingkah laku kumpulan zarah dalam keadaan terkawal.

Chen Weibiao mengenal pasti peralihan fasa kuantum, tingkah laku banyak zarah kuantum yang berinteraksi dan ujian teori fizik asas sebagai bidang penyelidikan yang berpotensi. Projek itu turut menyenaraikan simulasi berkaitan alam semesta awal, pencarian yang melibatkan jirim gelap ultra ringan dan kajian berkaitan model Higgs sebagai hala tuju yang dicadangkan.

Semua itu ialah eksperimen yang masih dirancang dan memerlukan reka bentuk serta pengukuran tersendiri. Pencapaian semasa ialah sumber atom yang bergerak amat perlahan dan tempoh yang lebih panjang untuk mengkajinya. Penyelidik turut melihat potensi penggunaan dalam penderia kuantum dan jam atom di angkasa.

Lü Congmin, ketua pereka sistem aplikasi angkasa bagi program angkasa berawak China dan timbalan pengarah pusat penggunaan angkasa, menjemput penyelidik di seluruh dunia menjalankan eksperimen menggunakan kemudahan itu dan berkongsi peluang eksperimen. Tiada jadual permohonan atau tarikh bagi eksperimen susulan yang dicadangkan diumumkan.

Ketterle menyifatkan pencapaian itu sebagai "titik permulaan yang cemerlang untuk memajukan termometri atom dan pengukuran berketepatan tinggi." Termometri atom, iaitu pengukuran suhu dalam sistem atom, akan terus menjadi bahagian penting dalam usaha memahami dan menambah baik eksperimen seumpama ini.

Perkara Utama

• Pasukan stesen angkasa China melaporkan penyejukan awan atom rubidium kepada suhu setara 9.7 pikokelvin dan pemerhatian pengembangannya selama tujuh saat.
• Eksperimen itu dijalankan di dalam modul makmal Mengtian menggunakan kemudahan yang dilancarkan pada 2022.
• Suhu yang dilaporkan lebih rendah berbanding 38 pikokelvin yang dicapai di Bremen pada 2021 dan 52 pikokelvin yang dicapai di Stesen Angkasa Antarabangsa pada 2022.
• Urutan penyejukan menggabungkan perangkap optik, penyejukan penyejatan yang dibantu kecerunan magnet dan pengembangan bukan adiabatik.
• Penyelidikan masa depan boleh merangkumi simulasi kuantum, interferometer atom, pengukuran graviti dan ujian fizik asas.