近日，一個以德國科學(xué)家為主的歐洲研究團(tuán)隊在微重力下的量子氣體（QUANTUS）項目上取得重要進(jìn)展，他們成功開發(fā)出一種儀器，其可在失重條件下產(chǎn)生玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)�？茖W(xué)家希望借助這種零重力下的超低溫量子氣體研制原子干涉儀等高精密測量儀器，以用于測量地球的重力場，同時解決物理學(xué)領(lǐng)域的一些基礎(chǔ)問題。相關(guān)成果發(fā)表在最新的《科學(xué)》雜志上。
物質(zhì)波干涉開辟了計量學(xué)和基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域精確測量的全新辦法。一個充滿希望的干涉源就是玻色—愛因斯坦凝聚。玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)是原子在冷卻到絕對零度左右時所呈現(xiàn)出的一種氣態(tài)的、超流性的物態(tài)。在這種狀態(tài)下，幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態(tài)，原子因此失去其獨立的身份，可以用一個波函數(shù)來描述。這種物質(zhì)狀態(tài)顯示出和激光巨大的相似性。將玻色—愛因斯坦凝聚體中的原子相干耦合輸出，就可得到一種性能全新的相干物質(zhì)波源——原子激光。這種原子激光是將來提高原子干涉儀靈敏度和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。
現(xiàn)在，由德國漢諾威大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的QUANTUS項目組成功研發(fā)出一種新儀器，其外形是一個與門差不多高和寬的圓柱體，內(nèi)部安裝有原子芯片、螺線管、激光器和攝像頭。該設(shè)備已在不來梅應(yīng)用空間技術(shù)和微重力中心（ZARM）146米的下降塔中得到應(yīng)用，并在失重條件下成功獲得了玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)。
在不來梅下降塔的自由下落實驗中，科學(xué)家在原子芯片上創(chuàng)造了一個數(shù)毫米大的宏觀波包，并且觀察其演變超過1秒。歸功于類似激光的特性，科學(xué)家們借助光診斷的方法確認(rèn)這個物質(zhì)波包中超過10000個原子是不確定的（即處于玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)）。研究小組在不來梅下降塔進(jìn)行投放試驗超過180次，是目前為止最復(fù)雜和最穩(wěn)定的試驗。這些試驗結(jié)果為未來利用原子干涉觀察量子物質(zhì)演變以及將其作為慣性傳感器的研究奠定了基礎(chǔ)。
未來原子干涉儀的應(yīng)用范圍將從地球重力場測量的跨學(xué)科應(yīng)用延伸至弱等效原則的量子試驗。弱等效原則是廣義相對論的理論基石。與組成無關(guān)的物質(zhì)波以同樣的方式在重力場中下降需要弱等效原則。等效原則試驗或許有助于將量子力學(xué)和廣義相對論統(tǒng)一到一個共同的理論里。因此，這個量子物質(zhì)等效原則試驗是利用玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)驗證愛因斯坦相對論的一個令人鼓舞的做法。
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