Bose-Einsteinov kondenzát

Bose-Einsteinov kondenzát
„Zamrznutá hmota vyhrala Nobelovku“
Dvaja Americania a jeden Nemec získali tohtorocnú Nobelovu cenu za fyziku za
zmrazenie hmoty, do jej nového stavu, ktorý môže pomôct vyvinút menšiu a rýchlejšiu
elektroniku. Odmenení boli za mimoriadny príspevok k poznaniu takzvaných
Boseových-Einsteinových kondenzátov (BEC), co je v konecnom dôsledku akési nové
skupenstvo hmoty. Laserový lúc sa od bežného svetla zo žiarovky líši tým, že v nom
majú všetky castice svetla - fotóny - rovnakú energiu a spolocne oscilujú. Odmenení
fyzici uspeli v tom, co pre bádatelov dlho znamenalo obrovskú experimentálnu výzvu:
aby sa takýmto kontrolovaným spôsobom správali aj castice látky. Dosiahli takpovediac
to, že atómy „spievali jednohlasne.“ Cenu, ktorá má v tomto roku celkový financný
objem desat miliónov švédskych korún, si rozdelia rovným dielom.
Príbeh BEC sa zacína v roku 1924, ked indický teoretický fyzik Šatendranáth, vykonal
dôležité štatistické výpocty, týkajúce sa castíc ktoré boli neskôr na jeho pocest nazvané
bozónmi.V užšom ponímaní to boli castice svetla, pre ktoré sa vtedy ešte používal
všeobecný názov svetelné kvantá. Bose svoje nové výsledky, po predchádzajúcej
nulovej odozve zo strany redakcie britského vedeckého casopisu Philosophical Magazine
- poslal Albertovi Einsteinovi do Nemecka. Einsteina Boseov clánok velmi zaujal.
Einstein Boseovu teóriu rozšíril tak, aby zahrnala castice s kludovou hmotnostou, akýsi
typ atómu. Predpovedal v nich, že keby sa plyn, tvorený takýmito atómami, ochladil na
velmi nízku teplotu, všetky atómy by sa náhle zhromaždili v najnižšom možnom
energetickom stave. Tento proces sa podobá utváraniu kvapiek kvapaliny z plynu -
preto bol tiež oznacený ako kondenzácia, neskôr ako BEC. Bose aj Einstein sa zaoberali
casticami, rotujúcimi okolo svojej osi, ktorých pohyb sa dal opísat takzvaným spinovým
kvantovým císlom s celocíselnou hodnotou. Práve to sú bozóny. Najbežnejším
príkladom bozónov sú fotóny. Bozóny všeobecne prejavujú silné „sociálne“ správanie a
pri nízkych teplotách sa snažia sústredit v jednom a tom istom kvantovom stave. BEC v
laboratóriu
Muselo uplynút plných sedem desatrocí, kým sa takýto exotický stav hmoty skutocne
podarilo experimentálne vytvorit. V roku 1995 sa o to z tohtorocných laureátov
fyzikálnej „nobelovky“ zaslúžili najskôr Cornell a Wieman. Experimentovali s rubídiom.
Metódou laserového ochladzovania neutrálnych atómov vyrobili cistý kondenzát
približne dvoch tisícov atómov rubídia s priam neuveritelne nízkou teplotou iba 20
nanokelvinov, to znamená 0,00000002 stupna nad absolútnou nulou! Výsledky
zodpovedajúcich experimentov, ale s atómami sodíka, ktoré vykonal Ketterle, boli
uverejnené o štyri mesiace neskôr. Extrémne podmienky, aké predstavujú BEC v
zriedených plynoch, sa dnes prirodzene nevyskytujú vari nikde vo vesmíre. Prejavy
BEC vedci pozorovali už skôr, ale nepriamo, a to v zložitejších systémoch:
kondenzáciách spárovaných elektrónov v supravodicoch (strata elektrického odporu) a
pri supratekutosti (strata vnútorného trenia v kvapalinách). Zložitost týchto systémov
však samotný BEC jav zakrývala.
BEC vyplývajú z faktu, že v dostatocne hustom superchladnom plyne sa takzvané
hmotnostné vlnové dlžky materiálnych castíc velkostou priblížia vzdialenostiam medzi
nimi. V tomto okamihu sa rôzne hmotnostné vlny môžu „vnímat“ a koordinovat svoj
stav, cím vzniká BEC. Vedci ju niekedy oznacujú ako „superatóm“, pretože celý
komplex tu opisuje jediná vlnová funkcia, presne tak, ako keby išlo o jediný atóm.
Ketterlom vyprodukované BEC obsahovali v porovnaní s Cornellovými a Wiemanovými
viac atómov a tak sa stali lepšími prostriedkami dalšieho experimentálneho skúmania
celého javu. Ketterle nechal dva oddelené BEC, aby do seba vzájomne prenikli. Takto
získal velmi zretelné interferencné vzorce, aké možno vidiet trebárs na hladine
jazierka, ked donho niekto súcasne hodí dva kamene. Tým preukázal, že kondenzát
obsahoval úplne skoordinované atómy. Navyše v laboratóriu pripravil prúd malých
objektov, v zásade akýchsi „BEC kvapiek“, ktoré sa pohybovali volným pádom úcinkom
gravitácie. To možno považovat za primitívny „laserový lúc“, no namiesto svetla
tvorený látkou. Ak sa hovorí, že laser je koherentným (súvislým, spojitým) svetlom,
potom je BEC koherentnou látkou. Ketterlov výskum scasti financuje aj NASA.
Perspektívy a aplikácie
Dnes sa experimentami s BEC zaoberá už vyše 20 vedeckých tímov. Najzaujímavejšie
sú vari výsledky R. G. Huleta a jeho skupiny z Rice University v texaskom Houstone,
kde experimentujú so superochladzovaním izotopu lítia-7. V roku 1997 uverejnili
správu o BEC z asi 1000 atómov lítia-7.Skupiny tohtorocných nobelovských laureátov v
JILA a na MIT si však udržujú vedenie a skúmajú excitácie, rezonancie a víry v BEC a
vyvíjajú stále dokonalejšie spôsoby ich opakovaného zobrazovania. Podarilo sa im
preukázat možnost zosilnenia BEC, pripomínajúcu akýsi atómový „laser“.
Dva vedecké tímy v Paríži nedávno oznámili výskyt BEC metastabilných atómv hélia.
Nový spôsob „ovládania“ látky, ktorý znamená reálna existencia BEC, slubuje priniest
obrovské pokroky v takých oblastiach, ako je výskum nelineárnych procesov
(zjednodušene: malé príciny - velké následky) a základných kvantovo-mechanických
javov. Umožní výraznejšie laboratórne manipulovat s rýchlostou šírenia svetla v
pokusnom prostredí. Experimenty s rubídiom-85 nedávno ukázali, že spomenuté
rezonancie BEC možno využit k rýchlemu prepínaniu medzi prítažlivými a odpudivými
atómovými silami, co vedie k rozpusteniu BEC, pripomínajúcemu astronomický jav
výbuchu hviezdy ako supernovy (vedci to oznacili ako Bose-nova). Výskumy javov
súvisiacich s BEC prebiehajú aj v oblasti fermiónov, konkrétne tvorby párov atómov a
supratekutosti. Spomenutá Huletova skupina napríklad vlani simulovala podmienky,
ktoré vládnu vo vnútri superhustých hviezd - bielych trpaslíkov, akým sa raz stane aj
naše Slnko. Po praktickej stránke bude možné jav BEC využit pri velmi presných
meraniach parametrov základných prírodných javov, kde sa využívajú ostré rezonancie
inak nehybných atómov alebo ostré hmotnostné interferencné krúžky. Možno tiež
ocakávat skoré doslova revolucné aplikácie BEC v litografii, nanotechnológii a
holografii, v rámci Ketterlovej práce pre NASA aj v oblasti mikroskopických pocítacov a
superpresných gyroskopov. Tohtorocná Nobelova cena za fyziku je skutocne v dobrých
rukách. V súvislosti s tým, za co bola udelená, treba vari spomenút ešte dôležitú
pociatocnú a neskoršiu inšpiratívnu úlohu D. Kleppnera z MIT.
Ludia
Tridsatdevätrocný Eric A. Cornell sa narodil roku 1961 v kalifornskom meste Palo Alto.
Študoval na Stanford University, kde absolvoval v roku 1985. Doktorát získal roku
1990 na MIT. Od roku 1992 pracuje ako samostatný vedecký pracovník-fyzik NIST
(National Institute of Standards and Technology) a JILA v coloradskom Boulderi.
Súcasne pôsobí ako docent fyziky na University of Colorado tamtiež.
Štyridsattrirocný Wolfgang Ketterle sa narodil roku 1957 v nemeckom Heidelbergu.
Študoval na Technische Universität v Mníchove, kde absolvoval roku 1982. Doktorát
získal roku 1986 na takisto mníchovskej Ludwig-Maximilians-Universität. Pracoval v
Max-Planck-Institut für Quantenoptik v Garchingu (predmestie Mníchova). Od roku
1990 pôsobí na MIT, od roku 1997 aj ako profesor fyziky.
Pätdesiatnik Carl E. Wieman sa narodil roku 1951 v oregonskom Corvallise. Doktorát
získal roku 1977 na Stanford University.
Pracuje takisto ako Cornell v JILA a od roku 1987 pôsobí ako profesor fyziky na
University of Colorado v Boulderi.