أطلقت محطة الفضاء الدولية مؤخرًا مختبر NASA Cold Atom Lab الذي تمت ترقيته. تستخدم منصة التجارب الكمومية المدارية بيئة الجاذبية الصغرى لتبريد الذرات إلى درجة قريبة من الصفر المطلق. يتم استخدامه لدراسة حالة خاصة من المادة تسمى مكثف بوز-آينشتاين (BEC) ووضع الأساس لجيل جديد من تكنولوجيا الكم. ومن خلال هذه الترقية، سيقوم الباحثون العلميون بإجراء سلسلة من التجارب الكمية على المحطة الفضائية والتي يكاد يكون من المستحيل تحقيقها في المختبرات الأرضية.
تم تطوير مختبر الذرة الباردة بواسطة مختبر الدفع النفاث (JPL) في الولايات المتحدة. إنه مشابه في المظهر للثلاجة الصغيرة. يتم تثبيته في مقصورة المحطة الفضائية ويتم التحكم فيه عن بعد بواسطة الفريق الأرضي. في ظل ظروف الجاذبية الصغرى للمحطة الفضائية، يمكن للمختبر إنشاء ومراقبة غازات ذرية فائقة البرودة في درجات حرارة منخفضة وأوقات تطور أطول، بحيث تظهر المواد الذرية تقلبًا واضحًا، ويمكن أن "تتعايش" في مواقع متعددة، وحتى "تخترق" بعضها البعض في ظل ظروف معينة وسلوكيات كمومية أخرى. عندما تكون درجة الحرارة أقل من 459 درجة فهرنهايت (حوالي 237 درجة مئوية تحت الصفر) وتقترب من الصفر المطلق، تشكل السحابة الذرية BEC، والتي تصبح "الحالة الخامسة" بعد الحالة الصلبة والسائلة والغازية والبلازما. ولا يزال الكل يتبع القوانين الغريبة لميكانيكا الكم.
تبدأ كل تجربة بمعدن الروبيديوم أو البوتاسيوم: يقوم الباحثون بتسخين شريط من المعدن إلى حوالي 750 درجة فهرنهايت (حوالي 400 درجة مئوية)، مما يشكل بخارًا ذريًا في غرفة مفرغة. بعد ذلك، يتم إطلاق شعاع ليزر مضبوط على تردد معين في البخار، لاستخراج الطاقة الحركية للذرات بشكل مستمر من خلال "التبريد بالليزر"، مما يتسبب في انخفاض سرعتها ودرجة حرارتها بسرعة. بعد اكتمال التبريد بالليزر، يتولى مصيدة المجال المغناطيسي زمام الأمور، مما يزيد من حصر الذرات ويستمر في تبريدها، ليشكل في النهاية سحابة ثابتة تقريبًا من الذرات فائقة البرودة. وفي بيئة الجاذبية الصغرى، يمكن لمثل هذه "موجات المادة" أن تتوسع بشكل أكبر وتطفو لفترة أطول. يمكن للباحثين أيضًا الحصول على نافذة مراقبة أكثر وفرة لقياس دقيق للكميات الفيزيائية مثل الوقت والجاذبية والحركة.
أشار جيسون ويليامز، عالم مشروع مختبر الدفع النفاث، إلى أنه عند أدنى درجات الحرارة، تتصرف المادة بشكل مختلف تمامًا عن تجربتنا اليومية، مع سيطرة التقلبات والمادة فائقة البرودة قادرة على التطور بطرق غير متوقعة مع توفير ظروف قياس دقيقة للغاية. تم تجهيز مختبر الذرة الباردة المحدث بأدوات معالجة أكثر ثراءً، مما يسمح لفريق البحث باستكشاف القوانين الأساسية للكون بشكل أعمق. حاليًا، يدعم المرفق خمسة فرق بحثية من دول متعددة لإجراء أبحاث الفيزياء الأساسية. ويُنظر إليه أيضًا كمنصة اختبار لتكنولوجيا الكم الفضائية المستقبلية، الموجهة نحو مهام علوم الأرض وتطبيقات استكشاف الفضاء السحيق.
تم تسليم أحدث وحدة تمت ترقيتها إلى المحطة الفضائية من خلال رحلة إمداد تجارية في 11 أبريل من هذا العام. جوهرها هو وحدة العلوم المعاد تصميمها وتحديث المكونات الرئيسية. من بينها، يمكن لهيكل المصيدة المغناطيسية الجديد تغيير شكل سحب الغاز الكمومي في نطاق أكبر، مما يساعد العلماء على دراسة التغيرات في خصائص الذرات في ظل قيود هندسية مختلفة. وفي الوقت نفسه، توفر الشرائح المعدنية المحسنة مصدرًا أكثر استقرارًا وأفضل للذرات لتحضير الأبخرة الذرية. قال مدير المشروع كمال أودريلي إن هذه التحسينات تعزز قدرة البشر على التحكم في "حدود العالم الكمي"، مما يوسع نطاق درجات الحرارة المنخفضة للغاية ونطاق الحالات الكمومية التي يمكن التحكم فيها مرة أخرى.
يعد مختبر الذرة الباردة أيضًا أول منصة للبشر لتحضير مكثفات بوز-آينشتاين بشكل منتظم في مدار الأرض. ويُنظر إليه على أنه تحقق مهم من "التشغيل الموثوق لتكنولوجيا الكم في الفضاء". وأشار نائب عالم المشروع إيثان إليوت إلى أن "الثورة الكمومية" في القرن الماضي جلبت الليزر والهواتف المحمولة والتصوير بالرنين المغناطيسي وغيرها من التقنيات. يقوم الفريق الآن بتنفيذ مرحلة "الكم 2.0" على المحطة الفضائية، حيث يتلاعب بشكل مباشر بالحالات الكمومية واسعة النطاق، على أمل توليد جيل جديد من التقنيات الرئيسية مثل الاستشعار الكمي والقياس الكمي.
ومن أجل تنفيذ هذه التجارب المعقدة على المحطة الفضائية، قامت ناسا بتكثيف أجهزة الليزر والعاكسات ومعدات التحكم التي كانت ستشغل غرفة مختبر كاملة في رف واحد، وضمان تشغيلها المستقر في بيئة مدارية طويلة المدى. يتولى مختبر الدفع النفاث مسؤولية التصميم والبناء والإدارة التشغيلية للمنشأة، بينما يوفر معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا الإدارة الشاملة للمشروع. يعد مختبر الذرة الباردة جزءًا من قسم العلوم البيولوجية والفيزيائية في مديرية المهام العلمية التابعة لناسا. يستخدم هذا القسم الظروف الفريدة للفضاء لإجراء أبحاث علمية لا يمكن إكمالها على أرض الواقع. فهو لا يوفر دعم الحياة والأساس الهندسي لاستكشاف الفضاء السحيق في المستقبل فحسب، بل يولد أيضًا اكتشافات جديدة وتقنيات جديدة في العملية التي يمكن أن تفيد الحياة على الأرض.
وأكد أودرياري أن هذه الترقية لا توضح فقط قدرة ناسا على الحفاظ على مكانة الولايات المتحدة الرائدة في مجال تكنولوجيا الكم الفضائية، ولكنها تمهد الطريق أيضًا لنضج سلسلة من الأدوات الكمومية في المستقبل، مثل مقاييس تداخل موجات المادة المستخدمة في الفيزياء الأساسية والملاحة وتحديد المواقع ومعايير الوقت واستشعار جاذبية الأرض والقمر والأجرام السماوية الأكثر بعدًا. مع عودة مختبر الذرة الباردة المحدث إلى العمل، يعمل هذا "المختبر الكمي المداري" الموجود على محطة الفضاء الدولية على تعزيز الاستكشاف المتعمق المستمر للبشرية في المجالات غير المعروفة لعلم الكم.