Bose-Einsteinov kondenzát

„Zamrznutá hmota vyhrala Nobelovku“


Dvaja Američania a jeden Nemec získali tohtoročnú Nobelovu cenu za fyziku za zmrazenie hmoty, do jej nového stavu, ktorý môže pomôcť vyvinúť menšiu a rýchlejšiu elektroniku. Odmenení boli za mimoriadny príspevok k poznaniu takzvaných Boseových-Einsteinových kondenzátov (BEC), čo je v konečnom dôsledku akési nové skupenstvo hmoty. Laserový lúč sa od bežného svetla zo žiarovky líši tým, že v ňom majú všetky častice svetla - fotóny - rovnakú energiu a spoločne oscilujú. Odmenení fyzici uspeli v tom, čo pre bádateľov dlho znamenalo obrovskú experimentálnu výzvu: aby sa takýmto kontrolovaným spôsobom správali aj častice látky. Dosiahli takpovediac to, že atómy „spievali jednohlasne.“ Cenu, ktorá má v tomto roku celkový finančný objem desať miliónov švédskych korún, si rozdelia rovným dielom.

Príbeh BEC sa začína v roku 1924, keď indický teoretický fyzik Šatendranáth, vykonal dôležité štatistické výpočty, týkajúce sa častíc ktoré boli neskôr na jeho počesť nazvané bozónmi.V užšom ponímaní to boli častice svetla, pre ktoré sa vtedy ešte používal všeobecný názov svetelné kvantá. Bose svoje nové výsledky, po predchádzajúcej nulovej odozve zo strany redakcie britského vedeckého časopisu Philosophical Magazine - poslal Albertovi Einsteinovi do Nemecka. Einsteina Boseov článok veľmi zaujal.
Einstein Boseovu teóriu rozšíril tak, aby zahŕňala častice s kľudovou hmotnosťou, akýsi typ atómu. Predpovedal v nich, že keby sa plyn, tvorený takýmito atómami, ochladil na veľmi 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 označený ako kondenzácia, neskôr ako BEC. Bose aj Einstein sa zaoberali časticami, rotujúcimi okolo svojej osi, ktorých pohyb sa dal opísať takzvaným spinovým kvantovým číslom s čeločíselnou hodnotou. Práve to sú bozóny. Najbežnejším príkladom bozónov sú fotóny. Bozóny všeobecne prejavujú silné „sociálne“ správanie a pri nízkych teplotách sa snažia sústrediť v jednom a tom istom kvantovom stave. BEC v laboratóriu

Muselo uplynúť plných sedem desaťročí, kým sa takýto exotický stav hmoty skutočne podarilo experimentálne vytvoriť. V roku 1995 sa o to z tohtoročných laureátov fyzikálnej „nobelovky“ zaslúžili najskôr Cornell a Wieman. Experimentovali s rubídiom.

Metódou laserového ochladzovania neutrálnych atómov vyrobili čistý kondenzát približne dvoch tisícov atómov rubídia s priam neuveriteľne nízkou teplotou iba 20 nanokelvinov, to znamená 0,00000002 stupňa 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 supravodičoch (strata elektrického odporu) a pri supratekutosti (strata vnútorného trenia v kvapalinách). Zložitosť týchto systémov však samotný BEC jav zakrývala.

BEC vyplývajú z faktu, že v dostatočne hustom superchladnom plyne sa takzvané hmotnostné vlnové dĺžky materiálnych častíc veľkosťou priblížia vzdialenostiam medzi nimi. V tomto okamihu sa rôzne hmotnostné vlny môžu „vnímať“ a koordinovať svoj stav, čím vzniká BEC. Vedci ju niekedy označujú 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 ďalšieho experimentálneho skúmania celého javu. Ketterle nechal dva oddelené BEC, aby do seba vzájomne prenikli. Takto získal veľmi zreteľné interferenčné vzorce, aké možno vidieť trebárs na hladine jazierka, keď doňho niekto súčasne 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 voľným pádom účinkom gravitácie. To možno považovať za primitívny „laserový lúč“, no namiesto svetla tvorený látkou. Ak sa hovorí, že laser je koherentným (súvislým, spojitým) svetlom, potom je BEC koherentnou látkou. Ketterlov výskum sčasti 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 tohtoročných 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 preukázať možnosť 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, sľubuje priniesť obrovské pokroky v takých oblastiach, ako je výskum nelineárnych procesov (zjednodušene: malé príčiny - veľké následky) a základných kvantovo-mechanických javov. Umožní výraznejšie laboratórne manipulovať s rýchlosťou šírenia svetla v pokusnom prostredí. Experimenty s rubídiom-85 nedávno ukázali, že spomenuté rezonancie BEC možno využiť k rýchlemu prepínaniu medzi príťažlivými a odpudivými atómovými silami, čo vedie k rozpusteniu BEC, pripomínajúcemu astronomický jav výbuchu hviezdy ako supernovy (vedci to označili 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 využiť pri veľmi presných meraniach parametrov základných prírodných javov, kde sa využívajú ostré rezonancie inak nehybných atómov alebo ostré hmotnostné interferenčné krúžky. Možno tiež očakávať skoré doslova revolučné aplikácie BEC v litografii, nanotechnológii a holografii, v rámci Ketterlovej práce pre NASA aj v oblasti mikroskopických počítačov a superpresných gyroskopov. Tohtoročná Nobelova cena za fyziku je skutočne v dobrých rukách. V súvislosti s tým, za čo bola udelená, treba vari spomenúť ešte dôležitú počiatočnú a neskoršiu inšpiratívnu úlohu D. Kleppnera z MIT.

Ľudia
Tridsaťdeväťročný 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. Súčasne pôsobí ako docent fyziky na University of Colorado tamtiež.

Štyridsaťtriročný 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.

Päťdesiatnik 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.

Použité zdroje:
The Royal Swedish Academy of Sciences Press Release: The 2001 Nobel Prize in Physics, 9 October 2001.

The Royal Swedish Academy of Sciences Information for the Public: The 2001 Nobel prize in Physics, October 9, 2001. .