科学探索

为等效原理的新测试做准备：微重力下双原子干涉测量突破

科学探索万象经验2024-03-14

近日，一组国际研究团队在《自然》杂志上发表了一篇论文，报道了他们在国际空间站（ISS）上首次成功实现了量子气体混合物和双原子干涉测量。这项研究为探索微重力下量子物理的奥秘迈出了重要一步，并将推动空间量子技术的发展。

原子干涉仪是一种利用原子波的干涉现象进行精密测量的仪器。通过测量原子干涉条纹的位移或形状，可以获得有关原子相互作用、引力等物理量的信息。

传统的原子干涉仪通常使用单一种类的原子。然而，当使用两种或多种原子时，原子干涉仪可以提供更加丰富的信息。例如，双原子干涉仪可以用来研究不同原子种类之间的相互作用，以及它们在混合物中的行为。

量子物理是研究物质和能量在原子和亚原子尺度上的行为的物理学分支。它与经典物理学有着根本性的不同，在量子世界中，物质和能量可以同时表现出波和粒子的特性。

近年来，量子物理的研究取得了重大进展，科学家们已经能够在实验室中操控量子系统，实现各种奇妙的量子现象。然而，在地球上进行量子实验往往会受到环境噪声的影响，限制了量子系统的控制精度。

为了克服地球环境的限制，科学家们将目光投向了太空。微重力环境可以有效减少环境噪声，为开展量子实验提供了理想的条件。例如，在太空中，原子不受重力的影响，可以长时间保持相干性，从而提高测量精度。

在国际空间站上，美国宇航局（NASA）安装了冷原子实验室（CAL）。CAL可以将原子冷却到极低温，从而使其进入量子态。当温度降低到接近绝对零度时，大量原子可以聚集到同一个量子态中，形成一种具有宏观量子特性的物质形态，即玻色-爱因斯坦凝聚体 (BEC)。

BEC 的出现为探索量子物理的新现象和应用开辟了新的途径。例如，利用 BEC 的相干性和可控性，可以实现更高灵敏度的惯性导航和更精确的引力测量。此外，BEC 还可用于模拟量子多体系统，研究强关联量子材料等复杂物理问题。

论文报告了在国际空间站 (ISS) 冷原子实验室 (CAL) 中首次制备出双原子种类的玻色-爱因斯坦凝聚体 (BEC) 并实现双原子干涉测量。

研究人员首先将 87Rb 和 41K 原子分别冷却到 BEC 状态。然后，他们利用光学梯度阱将两种原子混合在一起。通过精确控制光学阱的形状和深度，他们将两种原子保持在同一个区域内并使其相互作用。

为了实现双原子干涉测量，研究人员利用了 Ramsey 脉冲序列。他们测量了两种原子在两个 π/2 脉冲之间的相位积累，获得了两种原子之间的相互作用系数和相对速度，并与理论计算结果进行了比较。

首先，这项研究证明了在微重力环境下制备量子气体混合物和进行双原子干涉测量是可行的。这为探索微重力下量子物理的奥秘打开了新的窗口。

其次，它为检验自由落体的普适性提供了一个新的平台。自由落体的普适性是爱因斯坦广义相对论的基本原理之一。在地球上，由于引力不对称的影响，对自由落体的普适性进行精确检验非常困难。而在微重力环境下，引力不对称的影响可以大大减弱，从而提高检验精度。