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里程碑!科学家首次在太空中实现超冷原子干涉实验,有望更精确探测引力波

2021-04-14 18:04 前瞻网   

利用原子的波动特性的原子干涉仪,可以进行极其精确的测量。例如,它们可以用来测量地球的引力场或探测引力波。

来自德国的一组科学家,近日在探测火箭上首次成功地进行了太空原子干涉测量。

里程碑!科学家首次在太空中实现超冷原子干涉实验,有望更精确探测引力波

“我们已经建立了原子干涉测量技术基础上的探空火箭,证明不仅在地球上这些实验是可能的,而且在太空中也可行。”美因茨约翰内斯古腾堡大学(JGU)物理研究所的Patrick Windpassinger教授表示。他的团队参与了这项调查,他们的分析结果发表在《自然·通讯》(Nature Communications)杂志上。

由汉诺威莱布尼茨大学领导的来自多所大学和研究中心的研究团队,于2017年1月启动了MAIUS-1任务。这是第一个在太空中产生玻色-爱因斯坦凝聚体的火箭任务。

这种物质的特殊状态发生在原子(在他们的研究中是铷原子)被冷却到接近绝对零度(-273℃)时。

这个超冷系统代表了原子干涉测量的一个非常有前途的起点。温度成为了关键的决定因素之一,因为在较低的温度下,可以进行更准确、更长的时间的测量。

在他们的实验过程中,利用激光照射将铷原子的气体分离,然后叠加。根据作用在原子不同路径上的力的不同,可以产生几种干涉图样,这些图样反过来又可以用来测量影响它们的力,如引力。

这项研究首先证明了玻色-爱因斯坦凝聚体的相干性,或者说是干涉能力,是原子系综的基本要求。为此,干涉仪中的原子仅通过改变光序列的方式部分叠加,这在相干性的情况下导致了空间强度调制的产生。

研究小组由此证明了这一概念的可行性,这可能导致进一步的实验,以测量地球的引力场,探测引力波,以及测试爱因斯坦的等效原理。

在不久的将来,该团队希望进一步研究高精度原子干涉法的可行性,以测试爱因斯坦的等效原理。另外两次火箭发射——MAIUS-2号和MAIUS-3号,计划于2022年和2023年发射,在这些任务中,该团队还打算使用钾原子,来产生干涉图案。通过比较两种原子的自由落体加速度,研究人员将可以用以前无法达到的精度来检验等价原理。

“开展这种实验,将是未来在卫星或国际空间站ISS上的一个目标,可能在玻色爱因斯坦凝聚态和冷原子实验室(BECCAL)内部。在这种情况下,可实现的精度不会受到火箭上有限的自由落体时间的限制。”André Wenzlawski博士解释称。他是JGU旗下Windpassinger研究组的成员,直接参与了发射任务。

该实验是量子技术研究领域高度活跃的一个例子,该领域还包括量子通信、量子传感器和量子计算等领域的发展。

MAIUS-1探空火箭任务是一个联合项目,包括汉诺威莱布尼茨大学、不来梅大学、美因茨约翰内斯古腾堡大学、Universität汉堡、Humboldt-Universität柏林、柏林费迪南-布劳恩研究所和德国航空航天中心(DLR)。该项目的经费由德国航空航天中心航天局安排,资金由德国联邦经济事务和能源部根据德国联邦议院的一项决议提供。

译/前瞻经济学人APP资讯组

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责任编辑: 4114RWL

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