Pam mae'r “Labordy Atom Oer (CAL)” maint oergell fach sy'n cylchdroi'r Ddaear ar fwrdd ISS yn Arwyddocaol ar gyfer Gwyddoniaeth  

Mae gan fater natur ddeuol; mae popeth yn bodoli fel gronyn a thon. Ar dymheredd sy'n agos at sero absoliwt, mae natur tonnau atomau yn dod yn weladwy gan ymbelydredd mewn amrediad gweladwy. Ar dymheredd mor oer yn ystod nanoKelvin, mae'r atomau'n cyfuno i un endid mwy ac yn trosglwyddo i bumed cyflwr o'r enw Cyddwysiad Bose Eisenstein (BEC) sy'n ymddwyn fel ton mewn paced mawr. Fel pob ton, mae atomau yn y cyflwr hwn yn arddangos ffenomen ymyrraeth a gellir astudio patrymau ymyrraeth tonnau atom yn y labordai. Mae interferometers atom a ddefnyddir mewn amgylchedd microgravity o ofod yn gweithredu fel synhwyrydd hynod fanwl gywir ac yn rhoi cyfle i fesur y cyflymiadau mwyaf gwan. Mae'r Labordy Atom Oer (CAL) maint oergell fach sy'n cylchdroi'r Ddaear ar fwrdd yr Orsaf Ofod Ryngwladol (ISS) yn gyfleuster ymchwil ar gyfer astudio nwyon cwantwm uwch-oer yn amgylchedd micro-ddisgyrchiant gofod. Cafodd ei uwchraddio gydag Atom Interferometer ychydig flynyddoedd yn ôl. Yn unol â'r adroddiad a gyhoeddwyd ar 13 Awst 2024), mae ymchwilwyr wedi cynnal arbrofion braenaru yn llwyddiannus. Gallent fesur dirgryniadau'r ISS gan ddefnyddio cyfleuster interferomedr Mach-Zehnder tri-churiad ar fwrdd CAL. Hwn oedd y tro cyntaf i synhwyrydd cwantwm gael ei ddefnyddio yn y gofod i ganfod newidiadau yn yr ardal gyfagos. Roedd yr ail arbrawf yn cynnwys defnyddio interferometreg tonnau cneifio Ynys Dewi i amlygu patrymau ymyrraeth mewn un rhediad. Roedd y patrymau i'w gweld am dros 150 ms o amser rhydd-ehangu. Hwn oedd yr arddangosiad hiraf o natur tonnau atomau mewn cwympiadau rhydd yn y gofod. Mesurodd y tîm ymchwil hefyd adlam ffoton laser Bragg fel arddangosiad o'r synhwyrydd cwantwm cyntaf gan ddefnyddio interferometreg atom yn y gofod. Mae'r datblygiadau hyn yn arwyddocaol. Fel y synwyryddion mwyaf manwl gywir, gall yr ymyrwyr atom uwch-oer sy’n seiliedig ar y gofod fesur cyflymiadau hynod o wan ac felly’n cynnig cyfleoedd i ymchwilwyr archwilio’r cwestiynau (fel mater tywyll ac egni tywyll, anghymesuredd mater-gwrth-fater, uno disgyrchiant â meysydd eraill) na all Perthnasedd Cyffredinol a Model Safonol ffiseg gronynnau esbonio a llenwi'r bwlch yn ein dealltwriaeth o'r bydysawd. 

Mae tonnau'n dangos ffenomen ymyrraeth, hy, mae dwy neu fwy o donnau cydlynol yn cyfuno i greu ton ganlyniadol a all fod ag osgled uwch neu is yn dibynnu ar gamau'r tonnau cyfunol. Yn achos golau, gwelwn donnau canlyniadol ar ffurf ymylon tywyll a golau.  

Mae interferometreg yn ddull o fesur nodweddion gan ddefnyddio ffenomen ymyrraeth. Mae'n golygu rhannu'r don ddigwyddiad yn ddau belydryn sy'n teithio ar wahanol lwybrau ac yna'n cyfuno i ffurfio patrwm neu ymylon ymyriant canlyniadol (yn achos golau). Mae'r patrwm ymyrraeth canlyniadol yn sensitif i newidiadau yn amodau llwybrau teithio'r trawstiau, er enghraifft, mae unrhyw newid yn hyd y llwybr teithio neu mewn unrhyw faes mewn perthynas â thonfedd yn dylanwadu ar batrwm ymyrraeth a gellir ei ddefnyddio ar gyfer mesuriadau.   

ton de Broglie neu don mater  

Mae gan fater natur ddeuol; mae'n bodoli fel gronyn yn ogystal â thon. Mae gan bob gronyn neu wrthrych symudol nodwedd don a roddir gan Hafaliad de Broglie  

λ = h/mv = h/p = h/√3mKT   

lle mae λ yn donfedd, h yw cysonyn Planck, m yw màs, v yw cyflymder y gronyn, p yw momentwm, K yw cysonyn Boltzmann, a T yw tymheredd yn Kelvin. 

Mae tonfedd thermol de Broglie mewn cyfrannedd gwrthdro â gwreiddyn sgwâr tymheredd yn kelvin sy'n golygu y bydd λ yn fwy ar dymheredd is.  

Astudiaeth o donnau atom oer iawn 

Ar gyfer atom nodweddiadol, mae tonfedd de Broglie ar dymheredd yr ystafell yn nhrefn angstrom (10^-10 m) sef. 0.1 nanomedr (1 nm=10^-9 m). Gall pelydriad o donfedd benodol ddatrys manylion yn yr un ystod maint. Ni all golau ddatrys manylion sy'n llai na'i donfedd ac felly ni ellir delweddu atom nodweddiadol ar dymheredd ystafell gan ddefnyddio golau gweladwy sydd â thonfedd yn yr ystod o tua 400 nm i 700 nm. Gall pelydrau-X wneud oherwydd ei donfedd amrediad angstrom ond mae ei egni uchel yn dinistrio'r union atomau y mae i fod i'w gweld. Felly, mae'r hydoddiant yn gorwedd yn y gostyngiad tymheredd yr atom (i dan 10^-6 kelvin) fel bod tonfeddi de Broglie yr atomau yn cynyddu ac yn dod yn debyg i donfeddi golau gweladwy. Ar dymheredd uwch-oer, mae natur tonnau'r atomau yn dod yn fesuradwy ac yn berthnasol ar gyfer interferometreg.  

Wrth i dymheredd atomau gael ei ostwng ymhellach yn ystod nanokelvin (10^-9 kelvin) yn amrywio i tua 400 nK, mae'r bosonau atomig yn trosglwyddo i'r pumed cyflwr mater o'r enw cyddwysiad Bose-Einstein (BCE). Ar dymheredd uwch-isel o'r fath yn agos at sero absoliwt pan fydd symudiadau thermol gronynnau'n mynd yn hynod ddibwys, mae'r atomau'n cyfuno i greu un endid mwy sy'n ymddwyn fel ton mewn pecyn mawr. Mae cyflwr yr atomau hwn yn rhoi cyfle i ymchwilwyr astudio systemau cwantwm ar raddfa facrosgopig. Crëwyd y BCE atomig cyntaf ym 1995 mewn nwy o atomau rwbidiwm. Ers hynny, mae'r maes hwn wedi gweld llawer o welliannau mewn technoleg. Mae'r moleciwlaidd BEC o foleciwlau NaCs ei greu yn ddiweddar ar dymheredd oer iawn o 5 nanoKelvin (nK).  

Mae amodau microgravity yn y gofod yn well ar gyfer ymchwil mecanyddol cwantwm  

Mae disgyrchiant yn y labordai daear yn gofyn am ddefnyddio trap magnetig i ddal yr atomau yn eu lle ar gyfer oeri effeithiol. Mae disgyrchiant hefyd yn cyfyngu ar yr amser rhyngweithio gyda'r BECs yn y labordai daearol. Mae ffurfio BECs mewn amgylchedd microgravity o labordai yn y gofod yn goresgyn y cyfyngiadau hyn. Gall amgylchedd microgravity gynyddu amser rhyngweithio a lleihau aflonyddwch o'r maes cymhwysol, a thrwy hynny gefnogi ymchwil mecanyddol cwantwm yn well. Mae BCEs bellach yn cael eu ffurfio'n rheolaidd o dan amodau micro-ddisgyrchiant yn y gofod.  

Labordy Atom Oer (CAL) yn yr Orsaf Ofod Ryngwladol (ISS) 

Mae Cold Atom Laboratory (CAL) yn gyfleuster ymchwil aml-ddefnyddiwr wedi'i leoli yn yr Orsaf Ofod Ryngwladol (ISS) ar gyfer astudio nwyon cwantwm uwch-oer yn amgylchedd microgravity gofod. Mae CAL yn cael ei weithredu o bell o'r ganolfan weithredu yn y Labordy Jet Propulsion.  

Yn y cyfleuster hwn sy'n seiliedig ar ofod, mae'n bosibl cael amseroedd arsylwi dros 10 eiliad a'r tymereddau oer iawn o dan 100 picoKelvin (1 pK = 10^12- Kelvin) ar gyfer astudio ffenomenau cwantwm.   

Lansiwyd y Cold Atom Lab ar 21 Mai 2018 ac fe'i gosodwyd ar yr ISS ddiwedd mis Mai 2018. Crëwyd Cyddwysiad Bose-Einstein (BEC) yn y cyfleuster gofod hwn ym mis Gorffennaf 2018. Dyma'r tro cyntaf; crëwyd pumed cyflwr mater yn orbit y Ddaear. Yn ddiweddarach, cafodd y cyfleuster ei uwchraddio ar ôl defnyddio ymyrwyr atom tra oer.  

Mae CAL wedi cyflawni llawer o gerrig milltir yn y blynyddoedd diwethaf. Cynhyrchwyd cyddwysiadau Rubidium Bose-Einstein (BECs) yn y gofod yn 2020. Dangoswyd hefyd bod amgylchedd microgravity yn fanteisiol ar gyfer arbrofi atom oer.  

Y llynedd, yn 2023, cynhyrchodd ymchwilwyr BEC rhywogaeth ddeuol a ffurfiwyd o ⁸⁷Rb a ⁴¹K a dangosodd interferometreg atom cydamserol gyda dwy rywogaeth atomig am y tro cyntaf yn y gofod mewn cyfleuster Labordy Atom Oer. Roedd y cyflawniadau hyn yn bwysig ar gyfer profion cwantwm o gyffredinolrwydd cwymp rhydd (UFF) yn y gofod.  

Cynnydd diweddar mewn technolegau cwantwm yn y gofod 

Yn unol â'r adroddiad a gyhoeddwyd ar 13 Awst 2024), cyflogwyd ymchwilwyr ⁸⁷RB atomau yn y interferometer atom CAL a chynnal tri arbrawf braenaru yn llwyddiannus. Gallent fesur dirgryniadau'r ISS gan ddefnyddio cyfleuster interferomedr Mach-Zehnder tri-churiad ar fwrdd CAL. Hwn oedd y tro cyntaf i synhwyrydd cwantwm gael ei ddefnyddio yn y gofod i ganfod newidiadau yn yr ardal gyfagos. Roedd yr ail arbrawf yn cynnwys defnyddio interferometreg tonnau cneifio Ynys Dewi i amlygu patrymau ymyrraeth mewn un rhediad. Roedd y patrymau i'w gweld am dros 150 ms o amser rhydd-ehangu. Hwn oedd yr arddangosiad hiraf o natur tonnau atomau mewn cwympiadau rhydd yn y gofod. Fe wnaeth y tîm ymchwil hefyd fesur adlam ffoton laser Bragg fel arddangosiad o'r synhwyrydd cwantwm cyntaf gan ddefnyddio interferometreg atom yn y gofod. 

Arwyddocâd ymyrwyr atom tra-oer sy'n cael eu defnyddio i'r gofod 

Mae ymyrwyr atomau yn harneisio natur cwantwm atomau ac maent yn hynod sensitif i newidiadau mewn cyflymiad neu feysydd ac felly mae ganddynt gymwysiadau fel offer manwl iawn. Defnyddir ymyrwyr atomau ar y ddaear i astudio disgyrchiant ac mewn technolegau llywio uwch.   

Mae gan interferometers atom sy'n seiliedig ar ofod fanteision amgylchedd microgravity parhaus sy'n cynnig amodau cwympo rhydd gyda llawer llai o ddylanwad caeau. Mae hefyd yn helpu cyddwysiadau Bose-Einstein (BECs) i gyrraedd tymereddau oerach yn ystod picoKelvin a bodoli am gyfnod hirach. Yr effaith net yw amser arsylwi estynedig ac felly gwell cyfle i astudio. Mae hyn yn gwaddoli ymyrwyr atom uwch-oer sy'n cael eu defnyddio i'r gofod gyda galluoedd mesur manwl uchel ac yn eu gwneud yn uwch-synwyryddion.  

Gall ymyrwyr atom uwch-oer a ddefnyddir yn y gofod ganfod amrywiadau cynnil iawn mewn disgyrchiant sy'n arwydd o amrywiad mewn dwyseddau. Gall hyn helpu i astudio cyfansoddiad cyrff planedol ac unrhyw newidiadau màs.  

Gall mesur disgyrchiant manwl uchel hefyd helpu i ddeall mater tywyll ac egni tywyll yn well ac wrth archwilio grymoedd cynnil y tu hwnt i Berthnasedd Cyffredinol a'r Model Safonol sy'n disgrifio bydysawd gweladwy.  

Perthnasedd Cyffredinol a'r Model Safonol yw'r ddwy ddamcaniaeth sy'n disgrifio bydysawd gweladwy. Theori maes cwantwm yw model safonol ffiseg gronynnau yn y bôn. Mae'n disgrifio dim ond 5 % o'r bydysawd, mae'r gweddill 95% mewn ffurfiau tywyll (mater tywyll ac egni tywyll) nad ydym yn eu deall. Ni all y Model Safonol esbonio mater tywyll ac egni tywyll. Ni all esbonio anghymesuredd mater-gwrthfater hefyd. Yn yr un modd, ni ellid uno disgyrchiant â'r meysydd eraill eto. Nid yw realiti bydysawd yn cael ei esbonio'n llawn gan y damcaniaethau a'r modelau cyfredol. Nid yw cyflymyddion ac arsyllfeydd anferth yn gallu taflu goleuni ar lawer o'r dirgelion natur hyn. Fel y synwyryddion mwyaf manwl gywir, mae'r ymyrwyr atom ultraoer sy'n seiliedig ar y gofod yn cynnig cyfleoedd i ymchwilwyr archwilio'r cwestiynau hyn i lenwi'r bwlch yn ein dealltwriaeth o'r bydysawd.  

*** 

Cyfeiriadau:  

1. Meystre, Pierre 1997. Pan fydd atomau'n troi'n donnau. Ar gael yn https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf 

2. NASA. Labordy Atom Oer - Cenhadaeth y Bydysawd. Ar gael yn https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/  

3. Aveline, DC, et al. Arsylwi Bose-Einstein cyddwysiadau mewn labordy ymchwil Ddaear-orbiting.... Natur 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1 

4. Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Cymysgeddau nwy cwantwm ac interferometreg atom rhywogaethau deuol yn y gofod. Natur 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w 

5. Williams, JR, et al 2024. Arbrofion braenaru gydag ymyriant atom yn y Labordy Atom Oer ar fwrdd yr Orsaf Ofod Ryngwladol. Nat Commun 15, 6414. Cyhoeddwyd: 13 Awst 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Fersiwn rhagargraffu https://arxiv.org/html/2402.14685v1  

6. NASA yn Arddangos Synhwyrydd Cwantwm 'Ultra-Cool' am y Tro Cyntaf yn y Gofod. Cyhoeddwyd 13 Awst 2024. Ar gael yn https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space 

***