Student World

Koncem minulého týdne oblétla svět zpráva o novém rekordu: fyzikům z Massachusettského technologického institutu (MIT) se podařilo ochladit plyn tvořený atomy sodíku na dosud nejnižší teplotu, jaké bylo na Zemi (a možná i v celém vesmíru) zatím dosaženo.

Třetí zákon termodynamiky praví, že nemůžeme dosáhnout teploty absolutní nuly. Poznatek, že musí existovat teplota, pod níž nemůžeme již žádnou látku ochladit, vyslovil na začátku 18. století francouzský vědec G. Amontons. O něco později byly formulovány stavové zákony plynů, které nám říkají, jak souvisí teplota s tlakem a objemem. Na základě těchto zákonů můžeme snadno dojít k tomu, že při určité teplotě by tlak či objem plynu dosáhly nulové či ještě nižší hodnoty. A protože záporný tlak plynu či záporný objem plynu nemají fyzikální smysl, byla zavedena teplotní mez, absolutní nula teploty (0 K = – 273, 15 °C).
Pojem teploty je vůbec poněkud zapeklitá věc. Když např. hovoříme o teplotách kapalného helia, tj. teploty 4,7 K a níže, často uvádíme, že jde o teploty blízké absolutní nule. I když toto vyjádření pro snadnější srozumitelnost budeme užívat, jde o nepřesnost. Z přísného fyzikálního hlediska se jedná o stejný nesmysl, jako kdybychom v matematice tvrdili, že číslo 273 je blíže nekonečnu než číslo 2. Pro fyziku má daleko větší smysl poměr teplot, nikoli jejich rozdíl. I při nejnižších teplotách jsme vlastně stále nekonečně daleko od absolutní nuly.

Fyzika nízkých teplot je komplikovanou, ale nesmírně zajímavou vědou. Zatímco za běžných podmínek se elementární částice hmoty pohybují obrovskou rychlostí, při „teplotě blízké absolutní nule“ se jejich pohyb zpomaluje a začínají se dít nevídané věci. Jak se pohyb částic zmenšuje, hmota projevuje nevšední chování, které pozorovatelům vyráží dech. Příkladem je supravodivost a supratekutost. Příčinou tohoto podivuhodného chování je skutečnost, že kvantové jevy, jež se projevují ve světě elementárních částic, vstupují při velmi nízkých teplotách do makrokosmických rozměrů. Uspokojivé vysvětlení těchto fascinujících úkazů, pozorovaných poprvé při zkapalnění helia, zabralo fyzikům více než půlstoletí. V oblasti nízkých teplot pracovala řada vynikajících fyziků a za objevy bylo uděleno množství Nobelových cen. Přesto si fyzika nízkých teplot dosud uchovává nejedno tajemství.

Minulý týden laureát Nobelovy ceny Wolfgang Ketterle a jeho spolupracovníci z MIT ochladili Boseův-Einsteinův kondenzát sodíkových atomů na teplotu nižší než 0,5 nK (nanokelvin). Jedná se o dosud nejnižší teplotu, které bylo na Zemi dosaženo. Teplotu, která je šestkrát nižší než předchozí nízkoteplotní rekord. Samotná příroda přitom došla při dosahování nízkých teplot na teplotu okolo 3 K, což je teplota reliktního záření, pozůstatku velkého třesku. Někteří fyzikové proto tvrdí, že pokud bychom na některé planetě odhalili teplotu nižší než 1 K, byl by to důkaz, že tam žijí inteligentní bytosti na poměrně vysokém stupni vědecko-technologického vývoje.

Při teplotě blízké 1 K se začínají elementární částice vykazovat zvláštní chování a jejich kvantové korelace vymizí. Hovoříme o kvantových plynech a kvantových kapalinách, které jsou v podstatě soubory částic se silně se překrývajícími vlnovými funkcemi.

Bosony, částice s celočíselným spinem, přecházejí při extrémně nízkých teplotách do stavu takzvané Boseova-Einsteinova kondenzátu (Bose-Einstein Condensate, BEC). Jde o nový, stav hmoty, při němž mají všechny částice stejnou energii a chovají se obdobně jako fotony v laserově paprsku. Že k takovému stavu může „nad prahem absolutní nuly“ dojít, předpověděli – jak vyplývá z názvu – již ve 20. letech minulého století Satyendra Bose a Albert Einstein. K Boseovu-Einsteinovu kondenzátu, který je fyziky důkladně zkoumán, dochází – zjednodušeně řečeno -, jsou-li částice ochlazeny na takovou teplotu, že se jejich vlnové délky začínají rovnat délkám rozestupů mezi nimi. V tomto okamžiku se oblaka milionů „zmrazených“ atomů chovají jako kvantový objekt makroskopických rozměrů, tedy kolektivně jako jedna superčástice. Z tohoto důvodu hovoříme o společném koherentním kvantovém stavu se společnou energií, který je neobyčejně cenný pro studium kvantových jevů.

Na teoretickém vysvětlení chování hmoty ochlazené na nepřirozeně nízkou teplotu se podílely celé týmy fyziků, od Pjotra Kapici a Lva Davidoviče Landaua (chování tzv. Fermiho kapaliny) po Richarda Feynmana (zpřesnění Landauovy teorie). Jejich průkopnické práce se staly východiskem pro tzv. „teorii BCS“, založenou na teoriích J. Baardena (přitahování elektronů ve stavu Boseovy-Einsteinovy kondenzace), L. N. Coopera (idea párování elektronů) a J. R. Schrieffera (idea překrytí párů a vlnové funkce s neurčitým počtem párů). Teorie BCS patří k obrovským triumfům moderní fyziky přelomu 20. a 21. století. Vysvětlila množství experimentálních závislostí a jevů, k nimž dochází při velmi nízkých teplotách. A nejen to, teorie BCS se stala podkladem pro další teorie ve fyzice pevné fáze, v jaderné fyzice, v teorii elementárních částic, v astronomii a kosmologii. Není divu, že její autoři byli odměněni Nobelovou cenou.

Poprvé bylo stavu BEC dosaženo až v roce 1995, kdy se vědcům podařilo realizovat magnetooptickou past, zařízení využívajícího principu laserového ochlazování, kdy laserový paprsek zamezuje pohybu atomů. Díky tomuto postupu se vědci dostali na teploty o něco nižší než 1 mK (milikelvin). K experimentu nejprve posloužily atomy rubidia. Od té doby se BEC stal předmětem intenzivního výzkumu v mnoha světových fyzikálních laboratořích. Podařilo dosáhnout stavu BEC s atomy sedmi dalších prvků, včetně sodíku, a studovaly se jejich projevy.

Fyzikům se dařilo ochladit atomy určitých prvků až na teplotu 3 nK (0,000 000 003 stupně nad absolutní nulou). Minulý týden se ale díky technicky náročnému experimentu dostali ještě do daleko nižších teplot. Wolfgang Ketterle a jeho tým na MIT nejprve „uchopili“ několik milionů atomů sodíku do tzv. optické pinzety tvořené laserovými paprsky. Pak byly tyto atomy „polapeny“ do magnetickooptické pasti. Následoval proces adiabatické dekomprese, při němž síť magnetických polí odstranila teplejší atomy. Díky tomu teplota kondenzátu (asi 200 tisíc atomů) klesla pod 3 nK.
Jak vysvětlil jeden z týmu výzkumníků, další pochod už vycházel z využití elementárního stavového zákonu plynů: zvyšujeme-li tlak, plyn se zahřívá, snižujeme-li tlak, dochází k ochlazování. Ketterle tedy v pasti snížil tlak, čímž zredukoval výsledný počet atomů asi na množství 30 tisíc. Právě díky prudkému snížení tlaku se mu nakonec podařilo zbytek sodíkových atomů ve stavu Beseova-Einsteinova kondenzátu ochladit pod teplotu 1 nK (0,000 000 001 stupně nad 0 K). Nejnižší teplota, která byla při experimentu naměřena, dosahovala neuvěřitelných 450 pK (pikokelvinů).

Experimentální výzkum Boseových-Einsteinových kondenzátů začal poměrně nedávno, ale pokračuje s nezmenšenou intenzitou. Již dnes existuje řada pozoruhodných výzkumů a aplikací BEC. Například přednedávnem značně medializované „zpomalené světlo“, kdy se vědcům podařilo pomocí BEC zbrzdit proud fotonů. BEC ale také umožnil realizaci atomového laseru (využitelnou např. pro litografii mikročipů s vysokým rozlišením), nesmírně přesnou interferometrii, konstrukci zdokonalených atomových hodin atd. V souvislosti s BEC se někdy hovoří rovněž o supernanotechnologii či „atomtronice“, při níž jsou atomy cíleně posílány mikročipem podél vláken (tzv. Boseův-Einsteinův kondenzát na mikročipu).

Poznámka:
Wolfgang Ketterle (nar. 1957) – německý fyzik pracující v USA. Vystudoval na Ludwigově-Maxmiliánově univerzitě v Mnichově. V roce 1986 dosáhl doktorátu na výše uvedené univerzitě a v Max Planckově institutu pro kvantovou optiku v Garchingu. K dalšímu studiu přesídlil do USA, kde dosáhl profesury fyziky na MIT. Nobelovu cenu za fyziku získal roku 2001 společně s Američany Ericem Cornellem a Carlem Wiemanem, a to „za dosažení Bose–Einsteinovy kondenzace ve zředěných plynech alkalických atomů, a za dřívější základní studie vlastností kondenzátů“ (http://www.nobel.se/physics/laureates/2001/ketterle-autobio.html).

Odkazy:

Alkali Quantum Gases @ MIT
http://www.rle.mit.edu/cua

Center for UltraCold Atoms (MIT, Harvard University)
http://cua.mit.edu/ketterle_group

Physics Literature Condensed Matter Theory
http://web.mit.edu/redingtn/www/netadv/biblio2.html

BEC past

Skupina fyziků z MITu, která dosáhla rekordně nízké teploty

autor Jan Kapoun