Iniulat ng China ang rekord na pagpapalamig ng mga atomo sa 9.7 pikokelvin sakay ng estasyon nito sa kalawakan

Ulap ng mga atomo na halos nasa absolutong sero ang temperatura

Pinalamig ng mga siyentistang Tsino ang isang ulap ng mga atomo ng rubidium sakay ng laboratory module na Mengtian ng estasyon ng kalawakan ng China hanggang sa katumbas na temperaturang 9.7 pikokelvin, ayon sa pangkat ng pananaliksik, habang sinusubaybayan ang paglawak nito sa loob ng pitong segundo. Pinagsasama ng resultang ito ang napakababang temperatura at mahabang panahon ng pagmamasid, dalawang kondisyong maaaring makatulong sa mga siyentipiko na sukatin ang grabidad at mas masusing siyasatin ang pag-uugali ng mga quantum system.

Inanunsyo ng Technology and Engineering Center for Space Utilization ng Chinese Academy of Sciences ang tagumpay noong Nobyembre 6, 2026. Lumabas online sa Science ang pag-aaral na pinamagatang Quantum gases below 10 picokelvin in space. Pinangunahan ng sentro ang proyekto kasama ang Peking University at Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics.

Inilarawan ng pangkat ang resulta bilang rekord para sa pinakamalamig na artipisyal na materya. Ang bilang na 9.7 pikokelvin ay humigit-kumulang sangkapat ng 38 pikokelvin na naabot ng pangkat mula sa University of Bremen noong 2021, at mas mababa sa ikalimang bahagi ng 52 pikokelvin na naabot ng Cold Atom Laboratory ng NASA sakay ng International Space Station noong 2022.

Ang isang pikokelvin ay isang trilyon bahagi ng isang kelvin. Kaya katumbas ang bagong bilang ng 0.0000000000097 kelvin sa itaas ng absolutong sero, ang temperaturang katumbas ng minus 273.15 digri Celsius. Kinakalkula ng mga siyentipiko ang katumbas na temperaturang ito mula sa napakabagal na paglawak ng mga atomo pagkaraang pakawalan ang mga ito. Inilalarawan ng temperatura ang galaw ng napakaliit na ulap ng mga atomo sa loob ng aparato.

Mga 400 kilometro sa ibabaw ng Daigdig, ginagamit ng eksperimento ang kapaligirang may mikrograbidad sa estasyon upang pahinain ang mga puwersang pumipigil sa mga atomo at mas matagal silang masubaybayan kaysa sa kayang gawin ng isang maliit na laboratoryo sa lupa.

Ano ang ibig sabihin ng pagpapalamig ng mga atomo

Karaniwang gumagalaw ang mga atomo ng rubidium sa iba-ibang direksiyon at bilis. Binabawasan ng pagpapalamig ang paiba-ibang galaw ng isang pangkat ng mga atomo. Sa napakababang temperatura at angkop na densidad, maaari silang bumuo ng Bose-Einstein condensate, isang kalagayan kung saan iisang quantum state ang pinagsasaluhan ng maraming atomo at sama-sama silang kumikilos.

Nagbibigay ang condensate sa mga mananaliksik ng mas malaki at nakokontrol na sistema upang siyasatin ang mga epektong karaniwang iniuugnay sa mga indibidwal na partikulo. Sa halip na subaybayan ang isang atomo sa gitna ng mabilis na paggalaw, makapaghahanda ang mga siyentipiko ng maayos na ulap ng mga atomo, mababago ang kapaligiran nito at masusukat ang tugon nito.

Nakabatay ang katumbas na temperatura ng eksperimento sa bagal ng paglawak ng ulap pagkaraang pakawalan ito. Napakabagal lumawak ng ulap na napakaliit ng relatibong galaw ng mga atomo. Nakatutulong sa mga mananaliksik ang pagsubaybay sa paglawak na ito upang matukoy ang enerhiyang kaugnay ng galaw.

Nananatiling hindi maaabot ang absolutong sero ayon sa mga batas ng termodinamika. Ang praktikal na layunin ay bawasan nang sapat ang galaw ng mga atomo upang makita ang mahihinang epekto at mapanatili nang mas matagal ang kapaki-pakinabang na mga kondisyon ng eksperimento. Sa eksperimentong ito, mahalagang bahagi ng tagumpay ang pitong segundong pagmamasid.

Bakit mahalaga ang pitong segundo sa kalawakan

Nagdudulot ng dalawang magkaugnay na problema ang grabidad ng Daigdig sa mga eksperimento ng pagpapalamig. Hinihila nito pababa ang mga atomo habang pinahihina ng mga mananaliksik ang bitag na pumipigil sa mga ito, at nililimitahan nito kung gaano katagal mananatili ang pinakawalang ulap sa loob ng silid-pagmamasid. Nakakatulong sa pagpapalamig ang mas mahinang bitag, pero hindi na rin nito kayang suportahan nang husto ang mga atomo laban sa grabidad.

Sabay na umiikot sa paligid ng Daigdig ang estasyon ng kalawakan at ang mga laman ng laboratoryo nito. Lumilikha ito ng mikrograbidad, kaya nananatili ang mga atomo malapit sa aparato kahit napakahina ng pagpipigil sa mga ito. Dahil dito, mas napalalamig pa sila ng mga siyentipiko at mas matagal nilang napagmamasdan ang paglawak ng mga ito.

Ipinaliwanag ni Wolfgang Ketterle, propesor ng pisika sa Massachusetts Institute of Technology at tumanggap ng Nobel Prize in Physics noong 2001, ang laki ng hamon sa isang eksperimentong tatagal ng pitong segundo sa Daigdig:

Sa Daigdig, babagsak ito nang mga 250 metro, kaya talagang babagsak ito sa lupa maliban kung mayroon kang silid na walang hangin na may taas na 250 metro,

Sa orbital laboratory, nagkakaroon ng ganitong kahabang panahon ng pagmamasid sa loob ng isang maliit na instrumento. Malayuang pinatatakbo ng mga mananaliksik sa lupa ang kagamitan nito, gamit ang mga awtomatikong kontrol upang isagawa ang maingat na itinakdang pagkakasunod-sunod ng pagpapalamig.

Paano nagiging bitag para sa mga atomo ang laser

May suplay na mga atomo ang instrumento mula sa humigit-kumulang 5 gramo ng metalikong rubidium. Nagsisimula ang proseso sa pagpapainit sa metal upang maglabas ito ng singaw. Kinukuha at unang pinalalamig ng mga laser at magnetic field ang mga atomo mula sa singaw, bago ilipat ng pangkat ang mga ito sa mga bitag na likha ng liwanag ng laser.

Gumagamit ang mga mananaliksik ng dalawang yugto ng magkakrus na optical trap. Sa optical trap, lumilikha ng puwersa ang maingat na inayos na mga sinag ng laser upang mapanatili ang mga atomo sa isang maliit na rehiyon. Kapag binawasan ang tindi ng liwanag, nagiging mas mababaw ang bitag at nakatatakas ang mas masisiglang atomo. Mas kaunti na ang enerhiya sa karaniwan ng mga natitirang atomo; tinatawag itong evaporative cooling.

Gumagamit ang huling yugto ng non-adiabatic expansion, isang kontroladong pagbabago sa pagpigil na nagpapalawak sa ulap at lalong nagpapababa sa galaw na kaugnay ng epektibong temperatura nito. Sa kabuuan, napababa ng mga yugtong ito sa mas mababa sa 10 pikokelvin ang temperatura ng ulap ng rubidium.

Nagdulot din ng teknikal na hamon ang mikrograbidad: naging hindi gaanong mabisa ang evaporation sa optical trap. Bumuo ang pangkat ng paraang gumagamit ng dagdag na magnetic gradient, isang magnetic field na nagbabago ang lakas sa iba-ibang bahagi ng espasyo, upang makatulong sa proseso at makalikha ng condensate na may mataas na kadalisayan.

Nananatiling pangunahing kasangkapan ang optical trap sa mga mas masulong na yugto ng pagpapalamig, habang tumutulong ang mga magnetic field sa ilang bahagi ng paghahanda. Nangangailangan ng tumpak na pagkontrol sa tindi ng laser, tiyempo at mga abalang nagmumula sa kapaligiran ang maayos na pagsasabay sa mga tungkuling ito.

Ibang pamamaraan mula sa International Space Station

Gumamit ang Cold Atom Laboratory ng NASA ng mga magnetic trap na likha ng atom chip, radiofrequency evaporation at panghuling teknik ng pagpapalamig na may kasamang maikling pulso. Sa halip, pinili ng pangkat ng China ang optical confinement, evaporation na kinokontrol sa pamamagitan ng tindi ng liwanag at mas matinding pagpapalamig sa pamamagitan ng paglawak.

Ayon sa mga mananaliksik, nagbibigay ng kapaki-pakinabang na kakayahang umangkop ang optical trapping para sa mga susunod na eksperimento at binabawasan nito ang pagiging sensitibo sa magnetic interference habang pinipigil ang mga atomo. Makalilikha rin ng mga istrukturang kapaki-pakinabang sa quantum simulation ang maraming sinag ng laser. Sa quantum simulation, ginagaya ng isang nakokontrol na sistema ng mga atomo ang mga piling katangian ng isa pang pisikal na sistema.

May dalawang naunang rekord na maihahambing dito. Gumamit ang resulta ng Bremen na 38 pikokelvin noong 2021 ng drop tower upang lumikha ng maikling panahon ng mikrograbidad. Naabot naman ng eksperimento sa International Space Station ang 52 pikokelvin noong 2022. Mga 3.9 na ulit na mas mababa sa bilang ng Bremen at mga 5.4 na ulit na mas mababa sa naunang resultang orbital ang iniulat na 9.7 pikokelvin ng China.

Pinagsasama ng bagong eksperimento ang resulta nito sa temperatura at pitong segundong pagmamasid sa paglawak. Para sa mga mananaliksik na naghahanda ng mga eksperimentong nangangailangan ng tumpak na pagsukat, maaaring mas kapaki-pakinabang ang ulap na nananatiling mabagal at napagmamasdan nang mas matagal kaysa sa rekord sa temperatura lamang.

Mula sa silid ng laboratoryo tungo sa kabinet sa orbit

Humigit-kumulang 20 kubikong metro ang espasyong kinailangan ng aparatong nasa lupa at mga 10 tonelada ang timbang nito. Ayon sa mga teknikal na paglalarawan, mga 0.7 kubikong metro ang laki ng pinagsamang kabinet na pang-orbit at 500 kilo ang timbang nito. Binanggit din sa anunsyo ng sentro ang sukat na mas mababa sa isang kubikong metro, bigat na mga 300 kilo at konsumo na humigit-kumulang 700 watt; hindi ipinaliwanag ang pagkakaiba sa mga iniulat na bigat.

Batay sa mas detalyadong mga bilang na teknikal, humigit-kumulang ika-29 na bahagi lamang ng volume ng sistemang nasa lupa ang ginagamit ng sistemang pang-orbit, at ikadalawampu lamang ng bigat nito ang timbang. Kinailangang magtulungan ang mga laser, precision optics, kagamitang panatiliin ang vacuum at mga elektronikong kontrol sa loob ng napakalimitadong espasyo upang makamit ang ganitong pagbawas.

Gumamit ang mga gumawa nito ng mga optical fiber connection para sa sistema ng laser, tumpak na pagkontrol sa laser, ultrahigh vacuum, mga elektronikong awtomatiko at panangga sa panginginig. Binabawasan ng vacuum ang mga banggaan sa mga hindi kanais-nais na partikulo ng gas, habang nililimitahan ng panangga ang mga mekanikal na abala na maaaring gumulo sa maselang ulap ng mga atomo.

Modular din ang disenyo ng kabinet. Maaaring pumili ang mga mananaliksik ng mga module ng eksperimento at pagkakasunod-sunod ng tiyempo para sa iba-ibang pag-aaral, kaya masusuportahan ng iisang plataporma ang maraming uri ng pananaliksik sa quantum sa halip na iisang demonstrasyon lamang ng pagpapalamig.

Mahalagang tagumpay bago ang paglulunsad

Nagsimula ang paunang pagtatasa sa proyekto noong 2011, matagal bago napunta sa orbit ang aparato. Lumitaw ang isang mahalagang suliranin malapit sa katapusan ng 2021, nang paulit-ulit na mabigo ang pangkat na makalikha ng Bose-Einstein condensate na kailangan para sa mga susunod na yugto ng pagpapalamig.

Nabigyan ang mga gumawa nito ng dagdag na 10 araw upang lutasin ang problema bago magpasya kung isasama ang instrumento sa nakaplanong paglipad. Sinubukan at inayos nila ang hardware at software sa buong sistema. Sa wakas ay lumitaw ang condensate sa madaling-araw ng Enero 8, 2022, kaya nalampasan ang isang mahalagang hakbang tungo sa paglulunsad.

Mahigit isang dekada ang saklaw ng mga pangunahing pangyayari:

• 2011: Sinimulan ang paunang pagtatasa sa eksperimento ng mga ultralamig na atomo sa estasyon ng kalawakan.
• Huling bahagi ng 2021: Nanganganib na hindi maisama sa nakaplanong paglipad ang instrumento dahil sa hirap sa paglikha ng condensate.
• Enero 8, 2022: Nagawa ng pangkat ang kinakailangang condensate matapos ang masinsinang pagsisikap na hanapin at lutasin ang problema.
• 2022: Dinala ang pasilidad sa estasyon ng kalawakan sakay ng laboratory module na Mengtian.
• Nobyembre 6, 2026: Inanunsyo ang resultang 9.7 pikokelvin at lumabas online sa Science ang pag-aaral.

Kabilang sa mga kaukulang may-akda ng pag-aaral sina Zhou Xiaoji, propesor sa Peking University, at Chen Weibiao, mananaliksik sa Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics. Kabilang naman sa mga tinukoy na kapwa unang may-akda sina Li Tang ng institusyon sa Shanghai, at sina Xiong Wei at Jin Shengjie ng Peking University.

Maaaring maglantad ng mas mahihinang epekto ang mas mahahabang pagsukat

Kabilang sa mga instrumentong maaaring makinabang sa bagong plataporma ang mga atom interferometer. Ginagamit ng mga ito ang mga katangiang alon ng mga atomo: hinahati at pinagsasama muli ang mga alon ng mga atomo upang maipakita ng nabubuong padron ang mga epekto gaya ng pagbilis o grabidad.

Inilarawan ni Ernst M. Rasel, propesor ng pisika sa Leibniz University Hannover sa Germany, ang mga kondisyong kailangan ng mga instrumentong ito:

Malaki ang pakinabang ng mga atom interferometer sa mga pinagmumulan na nagbibigay ng maraming atomo sa napakalamig na grupo at mahahabang panahon ng pagmamasid,

Ipinaliwanag ni Rasel na tumataas ayon sa kuwadrado ng panahong ginugugol ng mga atomo sa instrumento ang pagiging sensitibo ng interferometer. Kung hindi magbabago ang ibang mga kondisyon, maaaring tumaas nang apat na ulit ang tugon sa sinusukat na epekto kapag dinoble ang panahong iyon. Dahil dito, lubhang mahalaga ang mas mahabang pagmamasid sa mga napakaliit na senyas.

Ang susunod na hakbang na tinukoy niya ay isang interferometer sa orbit kung saan mananatiling magkakahiwalay nang ilang segundo ang mga alon ng mga atomo habang napapanatili ang pagkakaugnay ng mga ito. Nangangahulugan ang coherence ng pagpapanatili sa ugnayan ng mga alon upang makalikha ang mga ito ng kapaki-pakinabang na sukat kapag pinagsama muli. Panimulang hakbang tungo sa kakayahang ito ang pitong segundong pagmamasid sa ulap ng mga atomo.

Inaasahan ng mga mananaliksik na magagamit ito sa pagmamapa ng grabidad ng Daigdig, nabigasyon at pagtukoy sa mga orbit ng satelayt. Makakatulong din ang mas mahusay na pagsukat sa grabidad sa pagsubaybay sa mga pagbabago sa mga glacier at agos ng karagatan, dahil binabago ng gumagalaw na tubig at yelo ang pagkakabahagi ng masa ng Daigdig.

Plataporma para sa mga eksperimento sa quantum

Maaaring suportahan ng optical system ang mga optical lattice, mga padron ng liwanag ng laser na humahawak sa mga atomo sa ayos na kahawig ng kristal. Sa pamamagitan ng pagbabago sa ayos at mga interaksiyon ng mga ito, masisiyasat ng mga mananaliksik kung paano kumikilos ang mga pangkat ng partikulo sa mga kontroladong kondisyon.

Tinukoy ni Chen Weibiao ang mga phase transition sa quantum, pag-uugali ng maraming nag-iinteraksiyong quantum particle at mga pagsubok sa mga saligang teoriya ng pisika bilang posibleng larangan ng pananaliksik. Kabilang din sa mga iminungkahing direksiyon ng proyekto ang mga simulasyong may kaugnayan sa sinaunang uniberso, mga paghahanap sa ultramagaan na dark matter at mga pag-aaral na may kaugnayan sa mga modelo ng Higgs.

Mga posibleng eksperimento ang mga ito na mangangailangan ng sarili nilang disenyo at mga pagsukat. Ang agarang tagumpay ay ang pagkakaroon ng pinagmumulan ng napakabagal na mga atomo at mas mahabang panahong maaaring pag-aralan ang mga ito. Nakikita rin ng mga mananaliksik ang posibleng paggamit nito sa mga quantum sensor at atomic clock sa kalawakan.

Inanyayahan ni Lü Congmin, punong tagadisenyo ng sistema ng aplikasyon sa kalawakan para sa programang may tauhan ng China at pangalawang direktor ng sentro para sa paggamit ng kalawakan, ang mga mananaliksik sa buong mundo na magsagawa ng mga eksperimento sa pasilidad at magbahagi ng mga pagkakataon para sa pananaliksik. Walang inanunsyong iskedyul ng aplikasyon o petsa para sa mga iminungkahing susunod na eksperimento.

Inilarawan ni Ketterle ang tagumpay bilang "mahusay na panimulang hakbang upang isulong ang thermometry ng mga atomo at mga pagsukat na may mataas na katumpakan." Mananatiling mahalagang bahagi rin ng pag-unawa at pagpapahusay sa ganitong mga eksperimento ang atomic thermometry, o pagsukat ng temperatura sa mga sistemang atomiko.

Mahahalagang Punto

• Iniulat ng pangkat sa estasyon ng kalawakan ng China na pinalamig nito ang ulap ng mga atomo ng rubidium hanggang sa katumbas na temperaturang 9.7 pikokelvin at sinubaybayan ang paglawak nito sa loob ng pitong segundo.
• Naganap ang eksperimento sa laboratory module na Mengtian, gamit ang pasilidad na inilunsad noong 2022.
• Mas mababa ang iniulat na temperatura kaysa sa 38 pikokelvin na naabot sa Bremen noong 2021 at 52 pikokelvin na naabot sakay ng International Space Station noong 2022.
• Pinagsasama sa proseso ng pagpapalamig ang optical trapping, evaporative cooling na tinutulungan ng magnetic gradient at non-adiabatic expansion.
• Maaaring kabilang sa susunod na pananaliksik ang mga quantum simulation, atom interferometer, pagsukat sa grabidad at mga pagsubok sa saligang pisika.