Ruimtestation van China herbergt de koudste materie ooit gemaakt
In een laboratorium dat ongeveer 400 kilometer boven de aarde in een baan draait, is een kleine wolk rubidiumatomen afgekoeld tot 9,7 picokelvin. Dat is ongeveer 14 ordes van grootte kouder dan kamertemperatuur, en kouder dan enig ander door de mens gemaakt materiaal ooit is geregistreerd. Het resultaat, behaald aan boord van het Chinese ruimtestation, trekt de aandacht ver buiten de vakbladen voor natuurkunde — deels omdat het getal zo moeilijk voor te stellen is, en deels omdat het experiment alleen in een baan om de aarde kon plaatsvinden.
Om de schaal te begrijpen: een picokelvin is een biljoenste kelvin. Bij 9,7 picokelvin bewegen de atomen nauwelijks. In het experiment deed een wolk rubidiumatomen er zeven seconden over om ongeveer 500 micrometer af te leggen — ruwweg de breedte van een mensenhaar — een tempo dat op slow motion lijkt, maar simpelweg de werkelijke toestand van de atoomwolk bij temperaturen nabij het absolute nulpunt is.
Waarom de ruimte in om dit te doen? Op aarde trekt de zwaartekracht aan elke ingevangen atoomwolk, dus moeten onderzoekers hun magnetische of optische vallen uitschakelen en de atomen laten vallen terwijl ze ze observeren. Dat geeft hun een fractie van een seconde voordat de wolk uit het zicht verdwijnt. In microzwaartekracht zweeft de wolk. Het Chinese team kon hem secondenlang volgen in plaats van milliseconden, en daarom is de meting van de verplaatsing überhaupt mogelijk.
Koude atomen zijn niet zomaar een curiositeit. Bij temperaturen nabij het absolute nulpunt worden kwantumeffecten op macroscopische schaal zichtbaar: atomen gedragen zich als golven en interferentiepatronen kunnen met buitengewone precisie worden gemeten. Zulke systemen liggen ten grondslag aan enkele van ‘s werelds nauwkeurigste atoomklokken, gevoelige sensoren voor zwaartekracht en magneetvelden, en platforms om fundamentele natuurkunde te testen. Een langere observatietijd in de ruimte zou die metingen scherper kunnen maken.
Het experiment maakt deel uit van een bredere beweging in het onderzoek naar koude atomen. Laboratoria in Europa en de Verenigde Staten hebben ultrakoude gassen geproduceerd op de grond en op sondeerraketten, en het Cold Atom Lab op het internationale ruimtestation is sinds 2018 in bedrijf. Het Chinese resultaat, aangekondigd als de koudste bekende kunstmatige materie, voegt een nieuw ijkpunt toe aan die internationale inspanning. Onderzoekers van het project hebben gezegd dat het doel geen record om het record is, maar een stabiel platform voor herhaalde experimenten.
Voor gewone lezers is het praktische voordeel niet direct. Ultrakoude atomen zullen waarschijnlijk niet snel in consumentenapparaten opduiken. Maar de technologieën die ze mogelijk maken — betere klokken voor navigatie, gevoeligere instrumenten om ondergrondse structuren in kaart te brengen, en tests van hoe materie zich op de kwantumgrens gedraagt — komen meestal geruisloos, ingebed in systemen die al afhankelijk zijn van precieze timing en metingen.
Het team achter het werk heeft de volgende stappen omschreven als het verbeteren van de stabiliteit van de koude wolk en het verlengen van de observatietijd, wat gevoeligere metingen mogelijk zou maken. Naarmate kwantumexperimenten in de ruimte volwassener worden, verschuift de vraag van of zulke extreme temperaturen bereikbaar zijn naar wat ermee gedaan kan worden zodra ze routine zijn.