EnglishChinees ruimtestation koelt atomen tot 9,7 biljoenste graad boven het absolute nulpunt
Aan boord van het Chinese ruimtestation Tiangong is een wolk van zo'n 20.000 atomen gekoeld tot ongeveer een kwart van de vorige recordtemperatuur. In gewichtloosheid konden onderzoekers de wolk ook zeven seconden waarnemen, tegen 1 tot 2 seconden bij eerdere records.
Onderzoekers hebben aan boord van het Chinese ruimtestation Tiangong atomen kouder gekregen dan ooit eerder, meldt een Chinees team op 5 november in het vakblad Science. Een wolk van ongeveer 20.000 rubidium-atomen bereikte 9,7 biljoenste graad boven het absolute nulpunt. Dat nulpunt, min 273,15 graden Celsius, is de laagst mogelijke temperatuur die bestaat. In vaktaal heet de nieuwe waarde 9,7 picokelvin, met een meetmarge van 7,0 tot 12,9 picokelvin.
Het vorige record was 38 picokelvin, in 2021 gehaald door wetenschappers die atomen in een valtoren in Bremen lieten vallen. Op het Internationale Ruimtestation ISS kwam het Cold Atom Laboratory van NASA tot 52 picokelvin. De nieuwe waarde is dus ongeveer een kwart van de oude recordtemperatuur.
Temperatuur zegt hoe snel deeltjes bewegen. Daarom liet het team de atomenwolk los en mat het hoe langzaam die uiteendreef. Uit die snelheid volgt de temperatuur. Het record geldt dus voor de atomen, niet voor het apparaat of de ruimte eromheen.
Waarom dit in de ruimte moest
Bij zulke lage temperaturen vormen atomen een Bose-Einstein-condensaat: ze gedragen zich niet meer als losse deeltjes, maar samen als één golf. Natuurkundigen willen zo'n wolk lang bekijken, omdat juist kleine effecten pas na lange tijd zichtbaar worden. Op aarde gaat dat niet goed. De zwaartekracht trekt de wolk omlaag, zodat ze in haar val wegzakt en het koelen minder goed werkt. Een losgelaten wolk valt bovendien snel uit beeld.
Natuurkundige Wolfgang Ketterle van het Massachusetts Institute of Technology, die in 2001 de Nobelprijs kreeg voor werk aan zulke condensaten en niet aan dit onderzoek meedeed, rekende dat voor aan de Chinese staatszender CGTN. In de zeven seconden dat de wolk nu is waargenomen, zou ze op aarde ongeveer 250 meter vallen. Daarvoor zou een vacuümkamer van die hoogte nodig zijn. In de valtoren was de wolk 2 seconden te zien, op het ISS 1 seconde.
Hoe de atomen zo koud werden
Het apparaat staat in Mengtian, een van de laboratoriummodules van het station, en houdt de atomen vast met laserlicht: een lichtval. Eerdere ruimterecords kwamen uit magnetische vallen, die atomen vasthouden met magneetvelden. Niemand had eerder in gewichtloosheid atomen met een lichtval zo koud gekregen. Zo'n lichtval geeft meer vrijheid, omdat ze ook werkt voor atomen die niet op magneetvelden reageren.
Eerst koelden de onderzoekers de atomen met verdamping. Dat werkt als bij hete koffie: de snelste deeltjes ontsnappen en de rest blijft kouder achter. In een lichtval gaat dat in gewichtloosheid minder goed. Daarom voegde het team een magneetveld toe dat de koeling hielp. Daarna brachten ze de wolk over naar een wijdere lichtval, die ze langzaam lieten verzwakken. Daardoor kreeg de wolk nog minder bewegingsenergie mee om uiteen te drijven.
Een vergelijkbare opstelling op aarde is ongeveer 20 kubieke meter groot en weegt 10 ton. De ingenieurs brachten dat terug tot 0,7 kubieke meter en een halve ton. Het project begon in 2011 en het apparaat ging in 2022 met Mengtian de ruimte in. Aan het onderzoek werkten de Universiteit van Peking, de Fudan-universiteit en twee instituten van de Chinese Academie van Wetenschappen mee.
Wat er nu en straks mee kan
Hoe langer de waarneming duurt, hoe meer kans er is om zwakke, nog onbekende natuurkundige verschijnselen te zien, zeggen de eerste auteurs Xiong Wei en Jin Shengjie van de Universiteit van Peking. Ze willen het apparaat ook gebruiken om na te bootsen hoe deeltjes zich in materialen gedragen, omdat dat in echte materialen vaak moeilijk te bestuderen is. Daarvoor zetten ze de atomen in een raster van licht, als eieren in een eierdoos.
Een tweede doel is een atoominterferometer in de ruimte. Zo'n meetinstrument splitst de atoomgolf in tweeën en brengt de delen weer samen, om heel kleine verschillen in beweging te meten. Ernst Rasel, hoogleraar natuurkunde aan de Leibniz Universität Hannover, legt uit dat die gevoeligheid groeit met het kwadraat van de meettijd: twee keer zo lang meten maakt het instrument vier keer zo gevoelig. Rasel ziet zulke instrumenten als volgende stap. Daarmee kunnen onderzoekers straks meten hoe de zwaartekracht van de aarde van plek tot plek verschilt, toetsen of alle voorwerpen echt even snel vallen en ideeën testen over donkere materie, de onzichtbare materie die natuurkundigen in het heelal vermoeden. Die experimenten moeten nog worden gebouwd. Ketterle noemt het resultaat een uitstekend vertrekpunt voor preciezere metingen.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Quantumtechnologie draait om het beheersen van losse atomen, en dat vraagt om deeltjes die bijna stilstaan en om lange meettijd. Dit record geeft beide. Het is een meetresultaat en nog geen toepassing, maar het laat zien dat een lichtval in de ruimte werkt en dat zo'n opstelling klein genoeg is voor een ruimtestation. De volgende stap is dat het apparaat wordt gebruikt om materialen na te bootsen en om de natuurwetten nauwkeuriger te meten.
