Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 41 – vyšlo 13. října, ročník 1 (2003)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Ultrachladný molekulární kvantový plyn

Petr Kulhánek

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.

Objev	Autoři	Rok objevu	Nobelova cena
Laserové ochlazování (Bell Laboratories)	Steven Chu William Phillips Claud Cohen-Tannoudji	1988	1997
BEC atomární kondenzát (University of Colorado, NIST)	Eric Cornell Carl Wieman Wolfgang Ketterle	1995	2001
BEC molekulární kondenzát (University of Texas)	Roahn Wynar & Dan Heinzen	2000	-

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