Molekuly v magnetické pasti

Objev metod dovolujících chladit atomy, zachycovat je a manipulovat jimi vyvolal revoluci v atomové fyzice (viz Vesmír 77, 9, 1998/1). Zatím tato revoluce transformuje především spektroskopii a studium srážek atomů. Při pokojové teplotě se atomy či molekuly plynu pohybují rychlostmi blízkými rychlosti projektilu vystřeleného z pušky. Jejich zpomalením (ochlazením) je možné prodloužit dobu, po kterou lze dané atomy či molekuly pozorovat a tak toto pozorování značně zpřesnit. Atomy či molekuly se zklidní pouze při teplotách blízkých absolutní nule (tj. –273,15 °C); například molekula dusíku se pohybuje rychlostí zdravého mravence (několik centimetrů za sekundu) až při teplotě jedné miliontiny stupně nad absolutní nulou (tj. 1 mikrokelvin). Kromě toho při nízkých teplotách částicové vlastnosti atomů či molekul přecházejí ve vlastnosti vlnové, atomy či molekuly se stávají vlnami. To jim propůjčuje charakter obvykle spojovaný s chováním světla. Nové možnosti pro badatelský výzkum jsou nedozírné a plné důsledky atomové revoluce z konce devadasátých let ukážou až příští desetiletí.

Nové fyzice se dostalo mimořádné publicity. Zprávy o dosažení Boseovy-Einsteinovy kondenzace v plynu či vytvoření prototypu atomového laseru dokonce figurovaly na titulních stránkách New York Times. Noviny Neue Zürcher Zeitung zase přinesly zprávu o záchytu molekul v magnetické pasti (viz též Vesmír 75, 601 a Vesmír 75, 608, 1996/11). Levitující atomy či molekuly zřejmě mají i schopnost podněcovat představivost širší veřejnosti. Výjimečná pozornost novinářů měla ale jistě také co činit s tím, že se v příslušných dnech ve světě zrovna nepřihodilo nic hrozného.

• Jak chytit atom či molekulu. Při nízkých teplotách plyny kondenzují a mění se na kapaliny či pevné látky. Této kondenzaci je třeba předejít a zabránit tomu, aby se atomy či molekuly neshlukly mezi sebou či s atomy vytvářejícími stěny nádoby, v níž je plyn obsažen. Lze toho dosáhnout tak, že se atomy či molekuly udržují ve vakuu při nízkých hustotách prostřednictvím elektrických nebo magnetických polí. Vzájemné působení mezi atomy či molekulami a těmito poli vytváří energetickou bariéru plnící funkci stěn nádoby – atomové či molekulové pasti. Taková past může zadržovat pouze ty atomy či molekuly, jejichž pohybová energie je nižší než odpovídající energetická bariéra. Proto se atomy nebo molekuly před záchytem musí nejprve ochladit. To je důvodem, proč jdou chlazení a chytání atomů (či molekul) ruku v ruce.

  Vzájemné působení atomů či molekul s vnějšími poli je dáno jednak velikostí (silou) daného pole, jednak dipólovým momentem samotných atomů či molekul. Při dosažitelných velikostech statických polí je magnetická interakce silnější, a proto je většina pastí založena právě na ní. Atomy či molekuly, které mají nenulový magnetický dipólový moment, se nazývají paramagnetické. Paramagnetizmus atomů či molekul je způsoben nespárovanými elektrony, z nichž každý nese dipólový moment velikosti jednoho Bohrova magnetonu. Přirozenou jednotkou magnetického dipólového momentu paramagnetických atomů či molekul je tedy Bohrův magneton (1 _B).

  Energetické hladiny paramagnetických atomů či molekul závisejí charakteristickým způsobem na velikosti magnetického pole. V závislosti na tom, zda jsou dipólové momenty orientovány antiparalelně nebo paralelně vůči směru magnetického pole, roste nebo klesá energie příslušných částic s rostoucí silou pole. V nehomogenním magnetickém poli (tj. poli, jehož velikost se mění v prostoru) atomy či molekuly ve stavech, jejichž energie roste (dipólmomenty jsou antiparalelní) vyhledávají oblasti minima síly pole; ve stavech, jejichž energie klesá (dipólové momenty jsou paralelní), naopak maxima síly pole. V obou případech je výsledná energie interakce minimální. Možnosti tvarovat magnetická pole jsou přitom omezeny Maxwellovými rovnicemi: statická pole (tj. pole nezávislá na čase) mohou vykazovat pouze minimum síly pole v prázdném prostoru (nikoli maximum). Proto jsou magnetické pasti založeny na těch stavech paramagnetických atomů a molekul, jejichž energie roste s rostoucí silou pole.

  Dále budeme uvažovat statické nehomogenní magnetické pole, jehož síla H roste přímo úměrně se vzdáleností od nuly v centru k hodnotě H₀ na okraji pole. Takové magnetické pole odchyluje atomy či molekuly ve stavech, jejichž energie roste s rostoucí silou pole, směrem k minimu v centru pole a atomy či molekuly ve stavech, jejichž energie klesá s rostoucí silou pole, směrem k maximu na okraji pole. Místo abychom ve schématu magnetické pasti (obrázek) znázorňovali měnící se velikost magnetického pole, vynesli jsme energii stavu, jež klesá s rostoucí silou pole. Právě tato energie představuje stěnu magnetické pasti.

• Termalizace na kapalném heliu a magnetický záchyt atomů vodíku. Pokusy magneticky zachytit atomy vodíku stály na počátku éry atomových a molekulových pastí. Skupina D. Kleppnera a T. Greytaka na Massachusettské technice od r. 1976 využívá jedinečnou vazebnou energii atomů vodíku a kapalného helia (ochlazeného na teplotu zhruba 1 K) k chlazení atomů vodíku na teplotu zhruba 150 mK. Atomy vodíku jsou povrchem helia ochlazeny ještě před tím, než se stačí sloučit na (nemagnetické) molekuly vodíku. Ochlazené atomy vodíku je pak možno zachytit v magnetické pasti. Tato metoda plnění magnetické pasti bohužel funguje pouze pro vodík, nelze ji použít ani pro deuterium (těžší izotop vodíku), které má nepatrně větší afinitu pro kapalné helium a podléhá rychleji molekulové rekombinaci. Práce Kleppnerovy a Greytakovy skupiny měla kritický vliv na vývoj celého oboru; v jejím průběhu byly vyvinuty jak základní pojmy a myšlenky, tak i klíčové metody, zejména pak metoda výparného chlazení (Vesmír 77, 9, 1998/1).
• Laserové chlazení a magnetický záchyt atomů. Nepříliš početnou třídu atomů lze chladit prostřednictvím světla. Metoda je založena na mnohonásobném opakování cyklu pohlcení (absorpce) a vyzáření (emise) fotonu (částice světla) atomem. Jak pohlcení, tak vyzáření fotonu je spojeno s přenosem hybnosti. Zatímco pohlcení se děje ve směru pohybu atomu, vyzáření nastává do směru náhodného. V průměru tak každý cyklus vede ke zpomalení atomu ve směru pohybu, tedy k ochlazení.

  Přes svou účinnost a eleganci je použitelnost laserového chlazení ostře chemicky omezena. Požadavek, aby byl absorpční a emisní cyklus uzavřený, totiž splňuje pouze hrstka atomů, nejlépe reprezentovaných alkalickými kovy (jež jsou rovněž paramagnetické, a po ochlazení je tedy lze zachytit v magnetické pasti). Komplikovaná struktura energetických hladin většiny ostatních atomů a všech molekul činí metodu laserového chlazení nepoužitelnou. Nepolapitelnost molekul (přesněji nemožnost ochladit je laserovými metodami) souvisí zejména s rozmanitostí jejich stavů, které – na rozdíl od atomů – zahrnují rovněž vibraci a rotaci. Raná éra výzkumu záchytu neutrálních částic byla tedy převážně „alkalickým věkem“.

• Magnetické pasti plněné termalizací s nárazníkovým plynem. V průběhu posledních tří let jsme v naší skupině vypracovali novou metodu chlazení a záchytu neutrálních částic. Místo srážek s fotony používáme k chlazení srážky se studeným plynem (heliem), který je sám chlazen kontaktem se standardním chladicím zařízením (kryostatem či zřeďovacím refrigerátorem). Tato metoda je nezávislá na struktuře energetických hladin ochlazovaných částic, a je tedy použitelná nejen pro atomy, ale také pro molekuly.

  Při teplotách okolo 1 K jsou všechny stabilní látky (kromě helia) v tuhém skupenství. Vzniká otázka, jak převést atomy či molekuly, které chceme chytit, do skupenství plynného. Výborná (i když ne jediná) možnost je ozáření intenzivním laserovým paprskem. Atomy kovů mohou být jednoduše odpařeny ozářením úlomku příslušného kovu. Podobně je také možné „připravit“ molekuly, jen se musí najít vhodný tuhý prekurzor (fullerenové molekuly C₆₀ byly poprvé připraveny právě laserovým odpařováním, viz Vesmír 76, 65, 1997/2). Dále budeme předpokládat, že atomy či molekuly jsou do plynné fáze uvedeny laserovým odpařováním (ablací).

  Proces, jenž vede k předávání teploty mezi nárazníkovým plynem a odpařenými atomy či molekulami, je výsledkem pružných srážek mezi atomy helia a ochlazovanými částicemi. Za typických podmínek je těch srážek potřeba asi sto. Abychom zajistili dostatečně rychlou termalizaci ochlazovaných částic na dráze, jež je menší než rozměry kryogenní komory, musí mít nárazníkový plyn dostatečně velkou hustotu. Jelikož hustota klesá zároveň s teplotou, existuje minimální teplota, pod kterou je hustota pro termalizaci příliš nízká (v případě izotopu helia 3He, které má ze všech látek nejvyšší hustotu při nízkých teplotách, činí minimální teplota 240 mK).

  Jak chlazení nárazníkovým plynem, tak magnetická past vyžadují velmi nízké teploty, a lze je tedy výhodně kombinovat. Naše experimentální zařízení (obrázek) se skládá ze tří částí: supravodivého magnetu, kryogenní komory a zřeďovacího refrigátoru. Magnet má dvě cívky, jimiž prochází elektrický proud v opačných směrech (anti-Helmholtzova konfigurace). Cívky se silně odpuzují a jsou drženy pohromadě titanovým sudem. Celý magnet je ponořen v kapalném heliu.

  Měděná kryogenní komora, naplněná nárazníkovým plynem, je uprostřed magnetu. Dole má okénko, nahoře (zevnitř) malé zrcadlo. Prekurzor, jehož odpařováním jsou atomy či molekuly uvedeny do plynné fáze, je poblíž zrcátka. Měďenou kotvou je komora termálně spojena se směšovací komorou refrigerátoru. V rozmezí 100–800 mK lze teplotu uvnitř komory snadno měnit topným elektrickým odporem. ¹⁾

• Spektroskopie zachycených molekul. Osud molekul v pasti sledujeme laserovou spektroskopií. Detekční světelný parsek vyslaný z laditelného laseru vstupuje do kryogenní komory, prochází jejím středem (kde jsou zachycené molekuly), dopadá na zrcátko, odráží se zpět, projde podruhé středem komory a vystoupí okénkem, za kterým dopadne na citlivý detektor (fotonásobič). Poměr intenzit dopadajícího a prošlého paprsku v závislosti na vlnové délce (barvě) světla pak poskytuje absorpční spektrum. Detekční paprsek zároveň molekuly vzbuzuje do energeticky vyššího elektronického stavu. Krátce poté se vzbuzené molekuly vracejí do základního stavu a při tom vyzařují světlo. Fluorescenční světlo se zrcátkem odráží do fotonásobiče či CCD kamery. Závislost intenzity fluorescence na vlnové délce detekčního laserového paprsku pak poskytuje fluorescenční spektrum. To lze měřit v závislosti na čase (začíná běžet po odpálení ablačního pulzu).

  Před zapnutím magnetického pole spektrum ukazuje, že termalizované molekuly jsou studené nejen translačně, ale že jsou rovněž v základním rotačním stavu. Po zapnutí pole přechází základní stav CaH ve dva nové: stav, jehož energie s rostoucí silou pole roste, a naopak stav, jehož energie s přibývající silou pole klesá. Fluorescenční spektrum ukazuje, že molekuly ve stavu s klesající energií jsou vytlačovány do oblasti maxima pole, kde narážejí na studenou stěnu kryogenní komory a jsou jí pohlceny. Na druhé straně, molekuly s rostoucí energií jsou tlačeny do středu pasti. Po uplynutí zhruba 300 ms měřené rozdělení hustoty zachycených molekul odpovídá rovnovážnému rozdělení při teplotě blízké teplotě nárazníkového plynu. Na snímku je soubor 10⁸ molekul CaH při teplotě zhruba 400 mK.

  Fluorescenční spektra obsahují velké bohatství údajů nejen o dynamice procesu záchytu, ale i o molekulách samých, například pro molekuly CaH jsme ze spekter mohli odvodit cenné detaily o elektronické struktuře.

• Vyhlídky. Očekáváme, že záchyt molekul najde uplatnění ve spektroskopii a studiu molekulové struktury, zvláště ve spektroskopii ultravysokého rozlišení, která vyžaduje vzorky či soubory studené (pomalé) a zachycené (doba měření je dlouhá). Přitažlivým projektem by bylo například studium spekter zachyceného souboru molekul fluoridu yterbia (YbF), jež jsou v současnosti používány v experimentech pátrajících po permanentních elektrických dipólových momentech elementárních částic (elektronu v případě YbF). Tyto experimenty poskytují údaje o symetrii časové inverze, která je oknem do světa základních sil v přírodě (standardního modelu) a představují alternativu k srážkovým experimentům s částicemi vysokých energií v obrovských urychlovačích.

  Jinou zajímavou oblastí výzkumu jsou srážky ultrastudených molekul a tvorba klastrů. Záchyt molekul také umožní studovat vlastnosti ultrastudených molekulových souborů, včetně Boseovy-Einsteinovy kondenzace. Použití široké škály molekul jistě přispěje k tomu, abychom porozuměli této nové formě hmoty.

  Záchyt molekul by měl rovněž umožnit studium srážkových procesů mezi molekulami, jejichž osy jsou v některých případech orientovány. Orientace zvyšuje dynamické rozlišení srážkových experimentů, neboť vylučuje nežádoucí efekty prostorového průměrování.

  Metoda chlazení nárazníkovým plynem kombinovaná s magnetickou pastí nyní dovoluje zachycovat 70 % atomů v periodické soustavě prvků a většinu paramagnetických molekul. I když máme plné ruce práce s tématy z předchozí éry, nemůžeme se ubránit pocitu, že většina práce leží za horizontem toho, co si dnes dovedeme představit.