Doteraz najnižšia dosiahnutá teplota (Bose - Einsteinov kondenzát)
17.09.2003 obletela svet správa o novom rekorde: fyzikom z Massachusettského technologického inštitútu (MIT) sa podarilo ochladiť plyn tvorený atómmi sodíku na doteraz najnižšiu teplotu, aká bola na Zemi (a možno i v celom vesmíre) zatiaľ dosiahnutá.
3. zákon termodynamiky hovorí, že nemôžeme dosiahnuť teplotu absolútnej nuly. Poznatok, že musí existovať teplota, pod ktorú nemôžeme už žiadnu látku ochladiť, vyslovil na začiatku 18. storočia francúzsky vedec G. Amontons. O niečo neskôr boli formulované stavové zákony plynov, ktoré nám hovoria, ako súvisí teplota s tlakom a objemom. Na základe týchto zákonov môžeme ľahko dojsť k tomu, že pri určitej teplote by tlak či objem plynu dosiahol nulovú alebo ešte nižšiu hodnotu. A
pretože záporný tlak plynu či záporný objem plynu nemajú fyzikálny zmysel, bola zavedená teplotná hranica, absolútna nula teploty (0 K = - 273, 15 °C).
Pojem teplota je vôbec veľmi zložitá vec. Keď napr. hovoríme o teplotách kvapalného hélia, t.j. teploty 4,7 K a nižšie, často uvádzame, že ide o teploty blízke absolútnej nule. Aj keď toto vyjadrenie pre jednoduchšiu zrozumiteľnosť budeme používať, ide o nepresnosť. Z prísneho fyzikálneho hľadiska sa jedná o rovnaký
nezmysel, ako keby sme v matematike tvrdili, že číslo 273 je bližšie k nekonečnu než číslo 2. Pre fyziku má ďaleko väčší zmysel pomer teplôt, a nie ich rozdiel. Aj pri najnižších teplotách sme vlastne stále nekonečne ďaleko od absolútnej nuly.
Fyzika nízkych teplôt je komplikovanou, ale veľmi zaujímavou vedou. Zatiaľ čo za bežných podmienok sa elementárne častice hmoty pohybujú obrovskou rýchlosťou, pri „teplote blízkej absolútnej nule“ sa ich pohyb spomaľuje a začínajú sa diať nevídané veci. Ako sa pohyb častíc zmenšuje, hmota prejavuje neobyčajné chovanie, ktoré pozorovateľom vyráža dych. Príkladom je supravodivosť a supratekutosť. Príčinou tohto podivuhodného chovania je skutočnosť, že kvantové javy, ktoré sa prejavujú vo svete elementárnych častíc, vstupujú pri veľmi nízkych teplotách do makrokozmických rozmerov. Uspokojivé vysvetlenie týchto fascinujúcich úkazov, pozorovaných prvýkrát pri skvapalnení hélia, zabralo fyzikom viac ako polstoročia. V oblasti nízkych teplôt pracovala rada vynikajúcich fyzikov a za objavy bolo udelené množstvo Nobelových cien. Aj napriek tomu si fyzika nízkych teplôt doteraz uchováva nejedno tajomstvo.
10.9.2003 laureát Nobelovej ceny Wolfgang Ketterle (za dosiahnutie Bose–Einsteinovej kondenzácie v zriedených plynoch alkalických atómov) a jeho spolupracovníci z MIT ochladili Bose - Einsteinov kondenzát sodíkových atómov na teplotu nižšiu než 0,5 nK (nanokelvina). Jedná sa o doteraz najnižšiu teplotu, ktorá bola na Zemi dosiahnutá. Teplotu, ktorá je šesťkrát nižšia ako predchádzajúci nízko teplotný rekord. Samotná príroda pritom došla pri dosahovaní nízkych teplôt na teplotu okolo 3 K, čo je teplota reliktného žiarenia, pozostatok veľkého tresku. Niektorí fyzici preto tvrdia, že ak by sme na niektorej planéte odhalili teplotu nižšiu než 1 K, bol by to dôkaz, že tam žijú inteligentné bytosti na pomerne vysokom stupni vedecko-technologického vývoja.
Pri teplote blízkej 1 K začínajú elementárne častice preukazovať zvláštne chovanie a ich kvantové korelácie vymiznú. Hovoríme o kvantových plynoch a kvantových kvapalinách, ktoré sú v podstate súbory častíc so silne sa prekrývajúcimi vlnovými funkciami.
Bozóny, častice s celočíselným spinom, prechádzajú pri extrémne nízkych teplotách do stavu takzvaného Bose -Einsteinovho kondenzátu
(Bose-Einstein Condensate, BEC). Ide o nový stav hmoty, pri ktorom majú všetky častice rovnakú energiu a chovajú sa obdobne ako fotony v
laserovom lúči. Že k takémuto stavu môže „nad prahom absolútnej nuly“ dojsť, predpovedali – ako vyplýva z názvu – už v 20. rokoch minulého storočia Satyendra Bose a Albert Einstein. K Bose - Einsteinovmu kondenzátu, ktorý je fyzikmi dôkladne skúmaný, dochádza – zjednodušene povedané - ak sú častice ochladené na takú teplotu, že sa ich vlnové dĺžky začínajú rovnať dĺžkam rozostupov medzi nimi. V tomto okamihu sa okolo milióna „zmrazených“ atómov chová ako kvantový objekt makroskopických rozmerov, teda kolektívne ako jedna superčastica. Z tohoto dôvodu hovoríme o spoločnom koherentnom kvantovom stave so spoločnou energiou, ktorý je neobyčajne cenný pre štúdium kvantových javov.
Na teoretickom vysvetlení chovania hmoty ochladenej na neprirodzene nízku teplotu sa podieľali celé týmy fyzikov, od Pjotra Kapici a Lva Davidoviče Landaua (chovanie tzv. Fermiho kvapaliny) po Richarda Feynmana (spresnenie Landauovy teórie). Ich prekopnícke práce sa stali východiskom pre tzv. „teóriu BCS“, založenú na teóriách J. Baardena (priťahovanie elektrónov v stave Bose-Einsteinovej kondenzácie), L. N. Coopera (idea párovania elektrónov) a J. R. Schrieffera (idea prekrytí párov a vlnové funkcie s neurčitým počtom párov).
Teória BCS patrí k obrovským triumfom modernej fyziky prelomu 20. a 21. storočia. Vysvetlila množstvo experimentálnych závislostí a javov, ku ktorým dochádza pri veľmi nízkych teplotách. A nielen to, teória BEC sa stala podkladom pre ďalšie teórie vo fyzike pevnej fázy, v jadrovej fyzike, v teórii elementárnych častíc, v astronómii a kozmológii. Niet divu, že jej autori boli odmenení Nobelovou cenou.
Prvýkrát bol stav BEC dosiahnutý až v roku 1995, keď sa vedcom podarilo realizovať magneticko-optickú pascu, zariadenie využívajúce princíp laserového ochladzovania, kedy laserový lúč zamedzuje pohyb atómov. Vďaka tomuto postupu sa vedci dostali na teploty o niečo nižšie než 1 mK
(milikelvin). Na experiment najprv poslúžili atómy Rubídia(Rb). Od tej doby sa BEC stal predmetom intenzívneho výskumu vo veľa svetových fyzikálnych laboratóriách. Dodnes sa podarilo dosiahnuť stav BEC s atómmi siedmich ďalších prvkov, vrátane Sodíka(Na), a študovali sa ich prejavy.
Fyzikom sa darilo ochladiť atómy určitých prvkov až na teplotu 3 nK (0,000 000 003 stupňa nad absolútnou nulou). Minulý týždeň sa ale vďaka technicky náročnému experimentu dostali ešte do ďaleko nižších teplôt. W. Ketterle a jeho tým na MIT najprv „uchopili“ niekoľko miliónov atómov sodíka do tzv. optickej pinzety tvorenej laserovými lúčmi. Potom boli tieto atómy „polapené“ do magneticko-optickej pasce. Nasledoval proces
adiabatickej dekompresie, pri ktorej sieť magnetických polí odstránila teplejšie atómy. Vďaka tomu teplota kondenzátu (asi 200 tisíc atómov) klesla pod 3 nK.
Ako vysvetlil jeden z týmov výskumníkov, ďalší pochod už vychádzal z využitia
elementárneho stavového zákona plynov: ak zvyšujeme tlak, plyn sa zahrieva a ak znižujeme tlak, dochádza k ochladzovaniu. Ketterle teda v pasci znížil tlak, čím zredukoval výsledný počet atómov asi na množstvo 30 tisíc. Práve vďaka prudkému zníženiu tlaku sa mu nakoniec podarilo zbytok sodíkových atómov v stave Bose - Einsteinovho kondenzátu ochladiť pod teplotu 1 nK (0,000 000 001 stupňa nad 0 K). Najnižšia teplota, ktorá bola pri experimente nameraná, dosahovala neuveriteľných 450 pK (pikokelvinov).
Experimentálny výskum Bose- Einsteinových kondenzátov začal pomerne nedávno, ale pokračuje s nezmenšenou intenzitou. Už dnes existuje rada pozoruhodných výskumov a aplikácií BEC. Napríklad prednedávnom značne medializované „spomalené svetlo“, keď sa vedcom podarilo pomocou BEC zbrzdiť prúd fotónov. BEC ale tiež umožnil realizáciu atómového laseru (využiteľná napr. pri litografii mikročipov s vysokým rozlíšením), nesmierne presnou interferometriou, konštrukciou zdokonalených atómových hodín atď. V súvislosti s BEC sa niekedy hovorí rovnako o supernanotechnológii či „atómtronike“, pri ktorej sú atómy cielene posielané mikročipom po dĺžke vlákien (tzv. Bose-Einsteinov kondenzát na mikročipe).
Poznámka:
Wolfgang Ketterle (nar. 1957) – nemecký fyzik pracujúci v USA. Vyštudoval na Ludwig-Maximiliánovej univerzite v Mníchove. V roku 1986 dosiahol doktorát na vyššie uvedenej univerzite a v Max Planckovom inštitúte pre kvantovú optiku v Garchingu. Na ďalšie štúdium sa presídlil do USA, kde dosiahol profesúru fyziky na MIT. Nobelovu cenu za fyziku získal roku 2001 spoločne s Američanmi Ericom Cornellom a Carlom Wiemanom, a to „za dosiahnutie Bose–Einsteinovej kondenzácie v zriedených plynoch alkalických atómov, a za skoršie základné štúdia vlastností kondenzátov“
Bozón- všetky atómové jadrá s párnym nukleónovým číslom (napríklad jadro ťažkého vodíka, ktorý pozostáva z dvoch fermiónov: protónu a neutrónu), ako aj väčšina atómov a molekúl
Fotón- fotón je objekt mikrosveta, ktorý má aj časticové, aj vlnové vlastnosti, ale nie je ani vlnou, ani časticou + (vo fyzike) kvantum elektromagnetického poľa,
napríklad svetla
Makroskopické kvantové javy - javy, v ktorých sa kvantová povaha mikrosveta prejavuje aj v makroskopických merítkach
Supravodivosť-jav, pri kt. materiál nekladie takmer žiadny zaznamenateľný odpor prechodu el. prúdu, neuvoľňuje sa žiadne ohmické teplo a materiál emituje magnet. čiary, čím odpudzuje vonkajšie magnet. pole a pri prechode prúdu sám okolo seba vytvára veľmi silné magnet. pole.
Supratekutá látka (supratekutina)- kvapalina s nulovou viskozitou.Supratekutosť bola pozorovaná iba pri 2 izotopoch Hélia (4He a 3He) pri teplotách blízkych absol. nule.
