Vzorně jednotné atomy

Začátkem léta zaujala fyzikální veřejnost zpráva o prvním úspěšném dosažení stavu Boseho-Einsteinovy kondenzace (BEK) v plynu neinteragujících atomů. Tento zvláštní stav hmoty, který S. N. Bose a A. Einstein předpověděli ve 20. letech, byl sice již dávno realizován v supratekutém heliu a supravodičích, ale v těchto případech nemohl být pozorován přímo kvůli silným interakcím kondenzujících částic.

Povězme si krátce o chování souborů stejných částic. Víme, že všem částicím lze podle kvantové mechaniky přisoudit též vlnový charakter (podobně jako částicový charakter elektromagnetickému vlnění), charakterizovaný de Brogliovou vlnovou délkou. S rostoucí energií částice se de Brogliova vlnová délka snižuje a naopak. Chování velkých souborů částic se podstatně liší podle toho, jestli jde o fermiony nebo bosony. Fermiony (částice s poločíselným spinem – např. elektron – které se řídí Fermiho-Dirackovým rozdělením) se nemohou nacházet ve stejném kvantovém stavu (to je tzv. Pauliho vylučovací princip, který zásadně určuje stavbu atomů a molekul). Oproti tomu bosony (částice s celočíselným spinem, které se řídí Boseho-Einsteinovým rozdělením), se mohou nacházet ve stejném stavu. Dokonce pravděpodobnost toho, že bosony „zkondenzují“ do jednoho stavu, roste s počtem částic, které už v něm jsou. Může tedy nastat lavinovitý proces kondenzace za podmínky, že jsou bosony dostatečně blízko a jejich vlnové funkce se překrývají – neboli když se jich nachází několik ve vzdálenosti de Brogliovy vlnové délky. Nejsnáze dostupné bosony pro experimenty jsou některé atomy, ty ovšem budou při takto vysokých hustotách vykazovat silné interakce, které zcela překryjí kvantové statistické efekty a znemožní BEK. Vědci proto zvolili pro své pokusy dostatečně zředěný plyn atomů, kde meziatomová vzdálenost je velká ve srovnání s dosahem meziatomových interakcí, ale de Brogliova vlnová délka je prodloužena výrazným snížením energie atomů, tedy jejich extrémním ochlazením.

Při prvním úspěšném experimentu na Coloradské univerzitě v Boulder (Science 269, 198, 1995) byly použity rubidiové atomy ochlazené na rekordní teplotu 170 nK pomocí zdokonalené verze magneto-optické „pasti“. Atomy v pasti mohou být udrženy na této teplotě po dobu až 15 sekund. Jak ovšem ověřit, že za těchto podmínek skutečně zkondenzují do jednoho stavu? Našlo se jednoduché řešení: vypnout pole tvořící past a změřit rozdělení rychlostí v expandujícím oblaku atomů. Laserovým pulzem byl osvětlen soubor atomů opouštějících past a jejich stín zaznamenán CCD kamerou. Za podmínek B-E kondenzace se objevila uprostřed shluku atomů pohybujících se rychlostí odpovídající běžnému teplotnímu rozdělení skupina asi 2 000 atomů rychlosti téměř nulové. Atomy jako by ztratily svou identitu, „spadly“ do nejnižšího-jediného kvantového stavu, který se tak náhle projevil v makroskopickém měřítku. Při B-E kondenzaci se tedy atomy chovají jako jediný velký „superatom“.

Daniel Kleppner z MIT, odborník v dané problematice, zhodnotil práci coloradského týmu těmito slovy: „Oni nejen pozorovali Boseho kondenzaci, ale udělali to brilantním způsobem. Častokrát bývají první údaje o novém jevu nejasné a špatně interpretovatelné. Tyto výsledky jsou však tak krásné, že mohou vejít přímo do učebnic.“ (Physics Today, August 1995, str. 17)

Další experimenty s BEK budou jistě rychle následovat i v ostatních laboratořích, které se zabývají magneto-optickým chlazením atomů. Jeden z objevitelů laserového chlazení, Theodor Hänsch z Mnichova, prohlásil o BEK: „Je to jako otevření dveří do nového světa.“ Otvírá se například reálná možnost zkonstruovat atomovou obdobu laseru – zdroj paprsku koherentních atomů (tj. atomů stejných vlastností, nacházejících se ve stejném stavu a pohybujících se stejným směrem). Aplikace by byly velmi zajímavé: od přesného určení některých základních konstant po zvýšení přesnosti litografie (pro výrobu integrovaných obvodů) a obráběcích technik v oblasti nanometrů.

Druhá zpráva o BEK na sebe nedala dlouho čekat (Physical Review Letters 75, 1687, 1995). Tentokrát uspěl tým z Rice University v Texasu, když dokázal uskutečnit BEK v plynu lithia (plynu atomů s přitažlivými interakcemi), a to přesto, že podle předpovědí teorie by v tomto případě neměla nastat. ¨