Rekordně nízká teplota

Všichni dobře víme z praktického života, že jak ohřívání, tak ochlazování kteréhokoliv tělesa oproti okolní teplotě nás vždy stojí energii. Jde jen o to, jak se ta energie použije. Takže nás nemůže překvapit, že světelnou energií je možné nejen zahřívat, ale i ochlazovat.

Vezměme si jako těleso plyn atomů. Jeho teplota je dána pohybovou energií těchto atomů. Omezíme-li tedy pohyb atomů chycením do „pasti“, způsobíme ochlazení plynu. Takovou past na atomy, vytvořenou ze světla, realizovali poprvé v AT&T Bellových laboratořích r. 1985. „Světelná past“ je obvykle tvořena zkřížením šesti laserových paprsků tak, že máme tři navzájem kolmé dvojice protisměrných paprsků (představte si kartézskou soustavu souřadnic, kde směřuje do počátku jeden paprsek z kladně i záporné strany každé osy x, y, z). Laser musí být vysoce stabilní a umožňovat naladění vlnové délky na některý energetický přechod zkoumaných atomů. Jak ale vlastně světlo „chytá“ atomy?

Vhodně vybrané atomy osvětlíme laserovým paprskem, který má frekvenci mírně nižší, než je frekvence, kterou atom absorbuje. Takové světlo tedy atom nebude absorbovat, pokud se ovšem nepohybuje proti chodu paprsku. V tomto případě totiž atom „vidí“ v důsledku Dopplerova jevu světelné záření poněkud vyšší frekvence, které se absorbuje. Zde se pak projeví tzv. světelný tlak, tedy fakt, že světlo má také částicovou povahu a jeho částice – fotony – mají jistou hybnost. Absorpce fotonu pak působí podobně jako pohlcení protiletící „koule“, které, přirozeně, zbrzdí pohyb atomu ve směru proti laserovému paprsku. (Absorpcí fotonu přejde atom do vyššího energetickěho stavu a po jisté době se vrátí zpět do svého základního stavu vyzářením fotonu. Ten se však, na rozdíl od přicházejících fotonů, pohybuje náhodně libovolným směrem, takže celkový účinek vyzařování fotonů – zpětný ráz při vystřelování koulí – na pohyb atomu je nulový.) „Bombardujeme-li“ takto atom fotony ve všech třech navzájem kolmých směrech, můžeme jej uklidnit natolik, že jeho malý pohyb odpovídá teplotě několik mikrokelvinů. Teplotní rozdíl jednoho kelvinu odpovídá jednomu stupni Celsia, ale počátek stupnice je posunut do takzvané absolutní nuly (0 K = –273,15 °C). Tato teplota, při které by ustal pohyb atomů, je podle třetí věty termodynamické nedosažitelná. Nižší teploty ovšem již nelze dosáhnout pomocí světelné pasti v důsledku meziatomových interakcí vyvolaných rozptylem fotonů.

Magnetické pasti, založené na interakci magnetického momentu atomů s nehomogenním (prostorově proměnným) magnetickým polem, umožňují další snížení teploty a zvýšení hustoty chlazených atomů. Soustředěným úsilím se dařilo vědcům v posledních letech stále zdokonalovat uspořádání magnetických polí pastí až po nejnovější variantu, která umožnila badatelům z Coloradské univerzity v Boulders výrazně zvýšit hustotu chlazených rubidiových atomů a snížit teplotu až na 200 nK (tj. 200 miliardtin stupně nad absolutní nulou). To je nejnižší teplota dosažená lidským úsilím (Physical Review Letters 74, 3352, 1995). Rekordní past na atomy využívá předchlazení světlem a nové uspořádání magnetického pole s využitím tzv. vypařovacího chlazení (nejrychlejším – nejteplejším atomům je umožněno uniknout z pasti, čímž se sníží průměrná teplota zbylých atomů).

Že nejde jen o nákladnou honbu za zápisem do Guinessovy knihy rekordů, dokládá zpráva o dosažení Boseho-Einsteinovy kondenzace atomů pomocí této pasti (viz aktualitu Vzorně jednotné atomy ve Vesmíru 74, 614, 1995/11), která následovala rychle po zprávě o rekordně nízké teplotě. Vedle studia těchto kvantových kolektivních jevů je motivací také možnost provádět vysoce přesná spektroskopická měření chladných plynů nebo nízkoenergetické ověření „standardních“ modelů částicové fyziky či využití pro metrologií a litografii. (Physics World, July 1995, str. 21)