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在地球轨道研究实验室中观测玻色-爱因斯坦凝聚态。

Observation of Bose-Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab.

机构信息

Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA.

出版信息

Nature. 2020 Jun;582(7811):193-197. doi: 10.1038/s41586-020-2346-1. Epub 2020 Jun 11.

DOI:10.1038/s41586-020-2346-1
PMID:32528092
Abstract

Quantum mechanics governs the microscopic world, where low mass and momentum reveal a natural wave-particle duality. Magnifying quantum behaviour to macroscopic scales is a major strength of the technique of cooling and trapping atomic gases, in which low momentum is engineered through extremely low temperatures. Advances in this field have achieved such precise control over atomic systems that gravity, often negligible when considering individual atoms, has emerged as a substantial obstacle. In particular, although weaker trapping fields would allow access to lower temperatures, gravity empties atom traps that are too weak. Additionally, inertial sensors based on cold atoms could reach better sensitivities if the free-fall time of the atoms after release from the trap could be made longer. Planetary orbit, specifically the condition of perpetual free-fall, offers to lift cold-atom studies beyond such terrestrial limitations. Here we report production of rubidium Bose-Einstein condensates (BECs) in an Earth-orbiting research laboratory, the Cold Atom Lab. We observe subnanokelvin BECs in weak trapping potentials with free-expansion times extending beyond one second, providing an initial demonstration of the advantages offered by a microgravity environment for cold-atom experiments and verifying the successful operation of this facility. With routine BEC production, continuing operations will support long-term investigations of trap topologies unique to microgravity, atom-laser sources, few-body physics and pathfinding techniques for atom-wave interferometry.

摘要

量子力学控制着微观世界,在这个世界中,低质量和低动量揭示了自然的波粒二象性。将量子行为放大到宏观尺度是冷却和捕获原子气体技术的一大优势,在该技术中,通过极低的温度来实现低动量。该领域的进展已经实现了对原子系统的如此精确控制,以至于在考虑单个原子时通常可以忽略不计的重力已成为一个实质性的障碍。特别是,尽管较弱的捕获场将允许进入更低的温度,但如果太弱的原子阱会导致重力排空。此外,如果可以延长从陷阱中释放后的原子的自由落体时间,那么基于冷原子的惯性传感器可以达到更高的灵敏度。行星轨道,特别是永久自由落体的条件,为冷原子研究提供了超越地球限制的机会。在这里,我们报告了在地球轨道研究实验室,即冷原子实验室中产生铷玻色-爱因斯坦凝聚物(BEC)。我们在弱捕获势中观察到亚纳开尔文的 BEC,其自由扩展时间超过一秒,这为微重力环境对冷原子实验提供的优势提供了初步证明,并验证了该设施的成功运行。随着常规 BEC 的生产,持续的运行将支持对微重力、原子激光源、少体物理和原子波干涉测量路径探索技术特有的陷阱拓扑结构的长期研究。

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