- 國際研究團隊在微重力環境中製造雙物種玻色-愛因斯坦凝聚態。
- MAIUS-B 實驗在德國漢諾威的愛因斯坦電梯進行，無需火箭發射。
- 該系統的技術挑戰包括光學平台的穩定性及激光系統的複雜性。
- MAIUS-B 技術為未來在國際空間站的研究奠定基礎。
一個國際研究團隊在微重力環境中成功製造出雙物種原子量子氣體混合物，其粒子通量達到了前所未有的水平，這一數據超越了現有任何移動系統，為開發超精密的太空傳感器鋪平了道路，這些傳感器有潛力檢驗物理學中最基本的原則。此次研究結果源於在德國漢諾威的萊布尼茨大學內的愛因斯坦電梯進行的 MAIUS-B 實驗，該設施能在無需火箭發射或軌道平台的情況下，產生短暫的微重力環境。參與的原子物種為銣和鉀，這兩種物質同時被冷卻和操控，形成玻色-愛因斯坦凝聚態（BEC），這是一種在接近絕對零度時出現的量子物質狀態，量子現象在宏觀尺度上可見。
MAIUS-B 實驗的技術挑戰
生產一種原子物種的 BEC 首次是在 2017 年的 MAIUS-1 任務中於太空中實現的，而 MAIUS-B 實驗則試圖同時在相同設備下對兩種化學上不同的原子物種進行冷卻和控制，這在微重力條件下難度極大。每種物種都需要一套特定的激光來調整其原子轉換。MAIUS-B 的激光系統由約翰尼斯·古騰堡大學的帕特里克·温德帕辛格教授和安德烈·温茲拉夫斯基博士領導的團隊開發，並與柏林洪堡大學及費迪南·布勞恩研究所合作，所需的激光元件數量幾乎是單一物種系統的兩倍，並且還需要額外的光學和電子硬件。
儘管系統規模擴展，團隊仍將其控制在幾乎與前代相同的有效載荷體積和質量內，這對於火箭載荷和軌道平台而言至關重要。
該系統最具技術挑戰性的組件是團隊所稱的光學平台，即激光模塊與原子被捕捉和冷卻的真空系統之間的接口層。這些光學平台由約翰尼斯·古騰堡大學與漢堡大學共同開發，使用了一種名為 Zerodur 的玻璃陶瓷材料，其熱膨脹係數極低。該穩定性至關重要，因為火箭發射會產生劇烈的機械衝擊，而實驗環境之間的温度變化——實驗室、電梯測試室以及最終的太空——均相當顯著。Zerodur 的熱惰性能夠在周遭環境變化的情況下，保持光學對準的精度，以滿足捕捉和冷卻原子的要求。
長期在愛因斯坦電梯中的運行已證實這一設計概念能在現實條件下正常運作。結果是，MAIUS-B 系統實現了雙物種 BEC 的粒子通量，比任何先前報告的類似移動設備高出一個數量級。
未來的研究計劃與目標
MAIUS-B 所開發的技術為 BECCAL 奠定了基礎，這是一個德美合作的原子實驗室，計劃在國際空間站進行，屆時軌道飛行的持續微重力將使實驗能夠實現在愛因斯坦電梯短暫自由落體窗口中無法進行的研究。研究的主要科學目標是直接測量愛因斯坦的等效原則，即銣和鉀原子——質量不同、內部結構不同——是否在自由落體中經歷完全相同的加速度。當前對等效原則的測試是實驗物理學中最精確的之一。
雙物種 BEC 在軌道中將使這些測量達到新的精確度，探索量子力學和廣義相對論之間的邊界，這是任何地面實驗都無法達到的。該研究首次發表於《自然通訊》期刊。
雙物種 BEC 對量子物理研究的影響
此次研究的成功不僅展示了在微重力環境中製造雙物種玻色-愛因斯坦凝聚態的技術可行性，還為未來的量子物理實驗提供了重要基礎。這類實驗能夠在國際空間站進行，將使科學家能夠更精確地測試愛因斯坦的等效原則，探索量子力學與廣義相對論之間的關係。這對於理解宇宙的基本運作原則具有深遠意義，並可能推動新技術的發展。