НАЙТИ НЕКОТОРЫЕ Из самых холодных объектов во Вселенной вам не придется идти далеко дальше местного университета. Там физик, возможно, использует лазерный свет и магниты для охлаждения атомов до температуры ниже -450 по Фаренгейту. Они могли бы использовать эти ультрахолодные атомы для обнаружения даже самых слабых магнитных полей в комнате или для создания часов с точностью до квадриллионной секунды. Но они, вероятно, не могли вынести эти датчики или часы за пределы своей лаборатории, поскольку они, как правило, большие и хрупкие.

Теперь группа физиков из Ноттингемского университета показала, что 3D-печать деталей для этих ультрахолодных квантовых экспериментов позволяет им уменьшить размер своего устройства всего до трети его обычного размера. Их работа, опубликованная в журнале  Physical Review X Quantum  в августе, может открыть дверь к более быстрому и доступному способу создания небольших, более стабильных и индивидуальных установок для экспериментов.

Поскольку чрезвычайно холодные атомы подчиняются правилам квантовой механики, они демонстрируют новое и полезное поведение. «Ультрахолодные атомы — это ключевая технология, которая применяется во многих различных прецизионных приборах», — говорит Джон Китчинг, физик из Национального института стандартов и технологий, который не участвовал в исследовании.

«Ультрахолодные атомы — отличные датчики времени. Они являются отличными датчиками того, что мы называем силами инерции, то есть ускорения и вращения. Они являются отличными датчиками магнитных полей. И это отличные датчики вакуума», — добавляет его коллега Стивен Экель, который также не участвовал в работе.

Следовательно, физики уже давно стремятся использовать устройства на ультрахолодном атоме в различных сферах: от  освоения космоса , где они могли бы помочь в навигации, определяя изменения в ускорении транспортного средства, до гидрологии, где они могли бы точно определять подземные воды, обнаруживая их гравитационное притяжение над землей. Однако процесс получения атомов достаточно холодными для выполнения любой из этих задач часто бывает сложным и трудным. «Поскольку я долгое время работал экспериментатором в области холодных атомов, меня всегда очень расстраивало то, что мы тратим все свое время на решение технических проблем», — говорит Натан Купер, физик из Ноттингемского университета и один из соавторов исследования.

Ключом к охлаждению и контролю над атомами является воздействие на них точно настроенного лазерного света. Теплые атомы летают со скоростью сотен миль в час, в то время как  чрезвычайно холодные атомы  стоят почти неподвижно . Физики удостоверяются, что каждый раз, когда на теплый атом попадает лазерный луч, свет попадает в него таким образом, что атом теряет часть энергии, замедляется и становится холоднее. Обычно они работают на столе размером 5 на 8 футов, покрытом лабиринтом зеркал и линз — компонентов оптики, — которые направляют и манипулируют светом, когда он движется к миллионам атомов, часто рубидия или натрия, которые хранятся в специальном камера сверхвысокого вакуума. Чтобы контролировать, где в этой камере находятся все ультрахолодные атомы, физики используют магниты; их поля действуют как заборы.

По сравнению с ускорителями частиц длиной в несколько миль или большими телескопами эти экспериментальные установки невелики. Однако они слишком велики и хрупки, чтобы стать коммерческими устройствами для использования за пределами академических лабораторий. Физики часто тратят месяцы на выравнивание каждого маленького элемента в своих оптических лабиринтах. Даже небольшое встряхивание зеркал и линз (что вполне вероятно произойдет в полевых условиях) приведет к значительным задержкам в работе. «Мы хотели попытаться создать что-то, что можно будет сделать очень быстро и, будем надеяться, будет надежно работать», — говорит Купер. Поэтому он и его коллеги обратились к 3D-печати.

Эксперимент команды из Ноттингема не занял целый стол — его объем составляет 0,15 куб. метра, что немного больше, чем стопка из 10 больших коробок для пиццы. «Оно очень, очень маленькое. Мы уменьшили размер примерно на 70 процентов по сравнению с традиционной установкой», — говорит Сомайя Мадхали, аспирантка Ноттингемского университета и первый автор исследования. Чтобы построить его, она и ее коллеги занимались чем-то вроде настраиваемой игры Lego. Вместо того, чтобы покупать детали, они собрали свою установку из блоков, которые распечатали на 3D-принтере, чтобы придать им именно ту форму, которую они хотели.

Важно отметить, что миниатюрная установка работала. Команда загрузила 200 миллионов атомов рубидия в вакуумную камеру и пропустила лазерный свет через все оптические компоненты, заставляя свет сталкиваться с атомами. Атомы сформировали образец с температурой ниже -450 градусов по Фаренгейту — точно так же, как ученые поступали с более традиционными приборами в течение последних 30 лет.

«Я думаю, что создание такой системы холодного атома — это огромный шаг. Раньше на 3D-принтере печатались только отдельные компоненты», — говорит Алин Динкелакер, физик из Потсдамского института астрофизики Лейбница, которая не участвовала в исследовании. Если предыдущие эксперименты были чем-то вроде покупки специального набора Lego, который позволял построить заранее спроектированный космический корабль, то подход команды из Ноттингема больше походил на сначала проектирование космического корабля, а затем 3D-печать блоков, из которых он состоит.

Большим преимуществом использования 3D-печати является то, что вы можете спроектировать каждый компонент по индивидуальному заказу, отмечает Динкелакер. «Иногда у вас есть лишь небольшой компонент странной формы или пространство странной формы. Здесь 3D-печать может стать отличным решением», — говорит она.

Люсия Хакермюллер, еще один соавтор статьи, говорит, что изготовление каждой детали в соответствии с их собственными спецификациями позволило им оптимизировать. «Мы хотим иметь как можно лучший дизайн, но проблема в том, что обычно у нас есть ограничения по строительству», — говорит она. «Но если вы используете методы 3D-печати, вы можете напечатать все, что только придет в голову». В рамках процесса оптимизации команда использовала разработанный ими компьютерный алгоритм для поиска наилучшего размещения магнитов. Они также проработали около 10 итераций своих 3D-печатных компонентов, пока не довели их до совершенства.

Новое исследование является шагом вперед в том, чтобы сделать этот инструмент для фундаментальных физических исследований более доступным. «Я надеюсь, что это ускорит — а также в некоторой степени демократизирует — стандартные эксперименты с ультрахолодными атомами, сделав их дешевле и намного быстрее в установке», — говорит Купер. Он предполагает, что если бы он оказался на необитаемом острове, имея всего лишь несколько линз и зеркал, атомы рубидия и 3D-принтер, он мог бы пройти путь от нуля до полностью функционального устройства примерно за месяц — в пять или шесть раз быстрее, чем обычно. Для Мадхали начало с нуля может быть не просто воображаемым сценарием. По ее словам, после окончания учебы она может вернуться в свою родную страну Саудовскую Аравию и использовать 3D-печать, чтобы начать новые исследования ультрахолодных атомов. «Это совершенно новая область», — добавляет она.

Китчинг также предполагает, что эти инструменты будут использоваться за пределами научных кругов, например, компаниями, производящими квантовые датчики, улавливающие магнитные или гравитационные поля. Эти компании могут не нанимать ученых, обученных квантовой физике, но это не имеет значения. Он представляет, как они установят сборочные линии, на которых технические специалисты будут собирать устройства из компонентов, напечатанных на 3D-принтере. И если бы эти устройства были достаточно стабильными, чтобы работать без постоянных настроек, сотрудники все равно могли бы с уверенностью ими пользоваться.

Коммерческие ультрахолодные атомные устройства могут, например, использоваться инженерами-строителями, нефтегазовыми компаниями, археологами или вулканологами для лучшего картографирования подземной местности, основываясь на чрезвычайной чувствительности атомов к гравитации. Ультрахолодные атомы также могут оказаться важнейшим компонентом навигационных инструментов, которые работают даже тогда, когда  спутники GPS  недоступны. Ультрахолодные атомные часы могут использоваться для синхронизации транспортных или телекоммуникационных сетей или для защиты финансовых транзакций в ситуациях, когда для каждого обмена или торговли требуется очень точная временная метка.

Хакермюллер и ее коллеги также планируют продолжать оптимизировать существующую систему. «Мы считаем, что еще не полностью использовали все возможности 3D-печати. Это означает, что наша установка может быть еще меньше», — говорит она, — они думают, что смогут увеличить ее почти вдвое от нынешнего размера. Говорит Купер: «Мы собираемся посмотреть, каковы пределы того, что вы можете с этим сделать».