| |
Petr Kulhánek: Ultrachladný molekulární kvantový plyn
Částice látky mají při nízkých teplotách snahu obsazovat energeticky nejnižší
kvantové stavy. Existují dva typy částic: fermiony s poločíselným spinem, které
mohou obsazovat stavy jen po jedné částici (každá další se musí usadit o energetický
stupínek výše) a bosony s celočíselným spinem, které mohou obsadit
jeden jediný, základní stav a vytvořit takzvaný Bose Einsteinův kondenzát (BEC).
Jde o zvláštní stav hmoty, ve kterém se všechny částice chovají jako jeden
jediný celek (tzv. koherentní chování), mají velmi zajímavé makroskopické vlastnosti a jsou popsány
jednou jedinou vlnovou funkcí.
Na atomární úrovni byla fáze BEC poprvé vytvořena na Coloradské universitě v roce
1995 (atomární rubidium) a vytvořený stav se choval jako jeden jediný obří
superatom. Autoři experimentu Eric Cornell, Carl Wieman a Wolfgang Ketterle
získali za tuto práci Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2001. Na molekulární
úrovni byl připraven Bose Einsteinův kondenzát poprvé v roce 2000 na Texaské
universitě v Austinu (molekulární rubidium). V roce 2002 a 2003 zaznamenala
příprava BEC fáze neuvěřitelný rozmach. Fáze BEC byla připravena pro 8 různých
prvků a v letošním roce se podařilo připravit BEC kondenzát tří tisíc molekul
cesia (Innsbrucká universita, Rakousko) a obří molekuly hélia (Laboratoire
Kastler, Francie).
Dosažené fáze BEC. Svisle prvky, vodorovně země. Roky udávají datum první
přípravy.
Ultrachladné atomy
Klíčem k vytváření ultrachladných atomů, které by mohly kondenzovat do BEC fáze,
bylo najít účinný způsob ochlazování na teploty kolem absolutní nuly. Průlom
nastal po roce 1988, kdy byl objeven princip laserového ochlazování, založený na
jednoduchém jevu (Chu, Phillips, Cohen), kdy oblakem atomů prochází laserový paprsek o nepatrně nižší
energii než odpovídá záchytu fotonů atomy. Díky Dopplerovu jevu budou fotony
zachycovány jen atomy pohybujícími se proti laserovému svazku (budou vnímat
"správnou" frekvenci). Při záchytu "protifotonů" dojde samozřejmě ke snížení
hybnosti atomů. Tím dochází k ochlazení části atomů, které se srážkami
přerozdělí na celý oblak.
Laserové ochlazování je velmi účinné a lze s ním dosáhnout teplot v oblasti
mikrokelvinů. Má však své hranice, po jejichž dosažení se používá principu
evaporativního ochlazování, při kterém je postupně snižována hladina energetické
pasti, ve které jsou drženy atomy. Nejenergičtější atomy unikají z pasti ven a uvnitř
zůstávají jen ty chladnější. Tímto způsobem lze dosáhnout teplot jen několik
nanokelvinů.
Objev laserového ochlazování umožnil přípravu prvního atomárního
Bose-Einsteinova kondenzátu atomů rubidia v roce 1995 (Cornell, Wieman,
Ketterle). Šlo o průkopnickou práci, na kterou navázalo mnoho dalších skupin a která
vedla k přípravě fáze BEC i pro další prvky.
Ultrachladné molekuly - Feshbachova rezonance
Laserové ochlazování nefunguje dostatečně účinně pro molekuly. Proto je nejprve
vytvořen Bose-Einsteinův kondenzát z atomů a teprve poté je možné část atomů
spojit na molekuly, které za velmi nízké teploty také vytvoří fázi BEC. Jak ale
spojit atomy v BEC stavu na molekuly? Jednou z možností je využití tzv.
Feshbachovy rezonance. Pokud je pohybová energie srážejících se atomů rovna
energii vázaného stavu (vznikající molekuly), dojde k rezonanci, při které prudce roste
účinný průřez srážky atomů v s stavu (stav s nulovým momentem hybnosti) a roste
pravděpodobnost vzniku molekuly. Atomy se dostanou na vzdálenost bližší
než je de Broglieho vlnová délka a alespoň část z nich vytvoří vázaný stav,
molekulu. Teplota molekul je velmi nízká a všechny vznikající molekuly obsazují
základní stav, vzniká molekulární BEC kondenzát. Pokud mají molekuly
magnetický moment, lze energii vznikající molekuly ovlivnit magnetickým polem.
Volbou intenzity magnetického pole je potom možné docílit kýžené rezonance.
Poprvé byl touto metodou připraven BEC molekulární kondenzát rubidia v roce 2000
na Texaské universitě (Wynar, Heinzen). Pro Rb 85 nastává Feschbachova rezonance
pro magnetické pole 155 G (0.0155 T). Molekulární
kondenzát ve větším množství byl poprvé připraven letos v Rakousku na Innsbrucké
universitě (Grimm, 2003). Týmu vědců se podařilo připravit molekulární
kondenzát asi tří tisíc molekul cesia.
Oddělení atomární a molekulární fáze
 
Absorpční obraz atomární fáze BEC (nahoře) a molekulární
fáze BEC (dole). Napravo je 3D obrázek.
Vzdálenost mezi molekulami a atomy je
240 μm. Innsbrucká universita, 2003.
Při přípravě molekulárního kondenzátu se získá oblak, ve kterém je směs
atomárního a molekulárního BEC. Pokud jsou magnetické momenty atomů a molekul
různé, lze k oddělení obou složek použít gradientní magnetické pole působící
proti gravitaci. Tuto
technologii zvolili při přípravě molekulárního BEC na Innsbrucké universitě.
Magnetické pole bylo voleno tak, aby molekulární složka zůstala na místě
(levitovala proti gravitaci) a druhá, atomární byla urychlena pryč. V experimentu
bylo počáteční množství atomů cesia zhruba 50 000.
Feshbachovou rezonancí vzniklo přibližně 3 000 molekul v BEC
fázi. Atomární kondenzát byl urychlen magnetickým polem směrem vzhůru
(zrychlení 0.61 g, za 3 ms se obláček atomů separoval od
obláčku molekul) a oblak molekulárního BEC levitoval v zařízení.
|
Bosony - částice s celočíselným spinem (0, 1, ...). Stejný
kvantový stav může obsadit více bosonů.
Fermiony - částice s poločíselným spinem (1/2, 3/2, ...). Dvě
částice nemohou obsadit stejný kvantový stav (Pauliho vylučovací princip).
BEC - Bose Einsteinův kondenzát, stav
hmoty při kterém jsou všechny bosony systému v jediném (základním) stavu.
Vykazují kolektivní chování a navenek se projevují jako jediný celek
(koherentně).
Feshbachova rezonance - rezonance, která
nastává, je-li pohybová energie srážejících se atomů rovna energii vázaného
stavu (molekuly). Při rezonanci prudce roste účinný průřez srážky atomů v
s stavu (stravu s nulovým momentem hybnosti) a roste pravděpodobnost vzniku
molekuly.
Zeemanův jev - má-li částice magnetický moment, může vnější
magnetické pole měnit polohu jejích energetických stavů a způsobit, že
několik energetických hladin splývajících v jedinou (tzv. jev degenerace) se
přítomností magnetického pole rozštěpí na samostatné hladiny.
De Broglieho vlnová délka - každý objekt mikrosvěta se chová někdy jako
částice a někdy jako vlna. Louis de Broglie jako první nalezl vztah
λ = h/mv pro vlnovou
délku příslušející částici o hmotnosti m a rychlosti v.
|
EPILOG
Pozorování BEC fáze v ultrachladných zředěných plynech je asi největším objevem v atomové
fyzice, molekulové fyzice a optice od objevu laseru. Nabízí se zde možnost
zkoumat hmotu v koherentním stavu, kdy jsou párové interakce částic velmi slabé.
Existuje mnoho otevřených otázek týkajících se termodynamických a optických
vlastností kondenzátu, vzniku kolektivních a vírových excitací, jejich útlumu,
nelineárních vazeb mezi excitacemi. Otevírají se možnosti konstrukce
atomárního laseru a využití atomární holografie. Nejvíce fascinující je ovšem
samotný fakt vytvoření koherentního stavu hmoty, ve kterém se obrovské množství
částic chová jako jeden jediný celek, jako jeden jediný superatom či
supermolekula.
Odkazy
|
|
