Na konci ledna proběhla světem zpráva, že se vědcům z Coloradské univerzity podařilo vytvořit novou formu hmoty, která se označuje jako „fermionický kondenzát“. Co je podstatou tohoto extrémního stavu hmoty? A jaké může v budoucnosti být její využití?
Už v roce 1995 se vědcům na Riceově univerzitě ve Spojených státech podařilo s využitím extrémně nízkých teplot vytvořit pátou formu hmoty (po třech základních skupenstvích a plazmě?), tzv. Bose-Einsteinův kondenzát
(viz článek http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/CB4465F0547F1ED6C1256DA300418E09).
Zatímco s prvními třemi skupenstvími hmoty, tuhou látkou, kapalinou a plynem, se každý setkává v běžném životě (a přírodověda je popisuje stavovými zákony), plazma se již z těchto kategorií poněkud vymyká. Další dva stavy hmoty, Bose-Einsteinův kondenzát a fermionický kondenzát, jsou ještě extrémnější. Byly objeveny v posledních deseti letech a jejich existence je daleko za horizontem běžné zkušenosti člověka. Aby výzkumníci tyto stavy hmoty experimentálně připravili, museli látku ochladit na extrémně nízkou teplotu.
Pro pochopení podstaty těchto významných objevů, které zhodnocují poznatky fyziky nízkých teplot a kvantové mechaniky, je nutné si uvědomit důležitost hodnoty označované jako spin. Spin je určitý, nesmírně důležitý vnitřní stupeň volnosti částice, který ji charakterizuje, a to nezávisle na rychlosti či klidové hmotnosti. Podle hodnoty spinu částice rozdělují vědci elementární částice do dvou kategorií: na bosony (částice s celočíselným spinem, např. foton či jádro hélia) a fermiony (částice s neceločíselným spinem, např. elektron či proton). Tyto dvě skupiny částic, bosony a fermiony, se řídí zcela rozdílnými statistikami, pokud jde o obsazování kvantových energetických hladin.
Pro chování fermionů je závazný jeden důležitý princip, tzv. Pauliho vylučovací princip. Podle něj nemohou v témže kvantovém stavu existovat dva identické fermiony. Kvůli tomuto individualistickému chování nazývají fyzici fermiony „částice nesnášenlivé“, významný český fyzik Milan Odehnal je trefně označil jako částice, které „mají lokty“. Na základě Pauliho vylučovacího principu, jímž se jakožto fermiony řídí elektrony, je postavena nejen stabilita atomu a molekul, ale i organizace elektronů kolem jádra atomů. Tento princip, určující vlastnosti chemických vazeb, je vlastně zodpovědný za všechny chemické děje, které se odehrávají v přírodě, resp. v celém vesmíru. Způsobuje rovněž, že makroskopické objekty jsou „nafouknuty“, neboť jejich zhroucení brání kvantový tlak elektronů.
Bosony se chovají jinak. Protože jde o částice „kolektivní“ neboli „snášenlivé“, může jich v jednom kvantovém stavu existovat na rozdíl od fermionů více. Pokud obrovské množství bosonů obsadí nejnižší kvantový stav, hovoří vědci o tzv. bosonové kondenzaci. Jde vlastně o soubor částic v základním stavu nazývaném kondenzát. Možnost takového jevu byla známa již dlouho, ale teprve před necelými deseti lety se jej podařilo prokázat experimentálně. Protože kondenzace bosonů do jediného kvantového stavu se řídí tzv. Bose-Einsteinovou statistikou, byl tento druh hmoty označen jako Bose-Einsteinův kondenzát (BEC).
Zásadní rozdíly mezi dvěma druhy elementárních částic z hlediska jejich spinu lze pozorovat při extrémním ochlazení atomů plynů. Z tohoto důvodu se často hovoří o experimentech s „kvantovými plyny“. Ty navíc umožňují vědcům pozorovat kvantové chování v makrospopickém měřítku. Ochlazené bosonové atomy totiž přecházejí do jediného společného stavu a vzniká výše zmíněný Bose-Einsteinův kondenzát.
Co se ale stane, ochladíme-li na extrémně nízkou teplotu fermionové atomy? Je nasnadě, že kvůli Pauliho vylučovacího principu je vyloučeno, aby přešly do společného kvantového stavu. Podle Fermiho-Diracovy statistiky, jež určuje jejich chování, ovšem mohou změnit svoji kvantovou podstatu tak, že se „napasují“ do všech možných kvantových stavů energie, které okolní teplota v atomové pasti umožňuje. Tomuto stavu se říká „degenerovaný Fermiho plyn“. Z výpočtů výzkumníkům vycházelo, že by bylo možné, aby dvojice fermionových atomů, které mají poločíselný spin a vytvoří tak dohromady bosonovou molekulu, posloužila za „stavební kámen“ Bose-Einsteinova kondenzátu. Tato lákavá možnost se experimentálně potvrdila teprve minulý rok, když dvě vědecké skupiny vytvořily kvantový plyn atomů lithia a draslíku.
Naskýtá se otázka, jakou povahu má síla mezi dvěma spárovanými fermiovými atomy do bosonu. Pokud pár vytváří molekulu, jak bylo výše popsáno, jde o silné párování chemickou vazbou (viz http://www.nist.gov/public_affairs/releases/super_molecule.htm).
Je však možný ještě jeden způsob, tzv. slabé párování, zprostředkované Cooperovým jevem. O Cooperovu páru elektronů je navíc známo, že se jistým způsobem podílí na velice zajímavých kvantových jevech, jako je supratekutost a supravodivost. Fyzikální chování těchto jevů, jež se vědci snaží pochopit již takřka celé půlstoletí, popisuje slavná teorie BSC, nazvaná podle tří amerických fyziků – Baardena, Coopera a Schrieffera (Nobelova cena za fyziku v roce 1975). Za zmínku stojí, že Cooperovy páry elektronů mají pozoruhodné vlastnosti. Rozměr těchto párů je mnohonásobně větší než obvyklá střední vzdálenost mezi elektrony v atomu. V objemu jednoho páru leží těžiště dalších milionu až miliardy párů, což způsobuje, že jsou v prostoru silně překryty. V důsledku tohoto neobvyklého natlačení je vlnová funkce překrytých párů značně odolná jak vůči vnějším polím, tak vůči vnitřním fluktuacím. Výsledkem těchto jevů je, že se Cooperův pár chová jako boson, resp. jako pseudoboson.
Otázkou párování fermiových atomů pomocí Cooperových párů se ve svých experimentech intenzivně zabývá Deborah Jinová na Coloradské univerzitě, která také koncem ledna tohoto roku objev fermionového kondenzátu představila vědecké veřejnosti. Krajně neobvyklý stav hmoty se jí podařilo vytvořit tak, že se svými spolupracovníky ochladila „ždibek“ plynného draslíku (šlo asi o pouhých 40 atomů) v laserové optické pasti na teplotu 50 miliardtin nad absolutní nulou (- 273,15 stupňů Celsia). Extrémně nízká teplota způsobuje, že se částice přestávají pohybovat. Vědci navíc v této pasti vystavili (redakční poznámka: pardon, zde byla hrubka – viz komentář) „zmrazené“ atomy magnetickému poli. Ukázalo se, že změna intenzity magnetického pole iniciovala vznik Cooperových párů mezi jednotlivými atomy. Ty nebyly spojeny do molekuly, ale jejich páry spojovalo jakési takřka „nesilové působení elektronových mráčků“ (které mají nadto značně vysokou stabilitu kvůli antiparalelních vlnových vektorů). Vznikl tak nový kondenzovaný druh hmoty, která se chová podobně jako supravodič: umožňuje přenos energie s nulovou ztrátou.
A význam objevu? I když se to z komplikovaného výkladu samotné podstaty nezdá, je nesmírný. Jde o nové poznání projevů hmoty na kvantové úrovni. Objev však v budoucnosti může mít i praktické využití. Deborah Jinové a jejím spolupracovníkům se podařilo připravit látku, která není čistokrevným supravodičem, ale má takřka stejné vlastnosti. Průlomem v poznání je experimentální zjištění, že v extrémně ochlazených Fermiho plynech lze interakci a intenzitu párování nastavit změnami vnějšího magnetického pole. Jinová se na tiskové konferenci vyjádřila, že jejím dlouhodobým cílem je nyní připravit fermionický kondenzát i při pokojové teplotě. Pokud by se jí to zdařilo, jednalo by se bez nadsázky o revoluci na tomto poli. Výzkumníci by měli k dispozici supravodivou hmotu, jež by umožnila vysoce efektivní přenos energie.
Fermiotický systém vybuzený magnetickým polem
Deborah Jinová, Markus Greiner a Cindy Regalová z Coloradské univerzity. Jejich práci umožnil grant Mac Arthurovy nadace pro Deborah Jinovou.
Více informací:
Jin Page
http://jilawww.colorado.edu/~jin
New Form of Matter
http://www.colorado.edu/news/reports/fermions
Fermionic Condensate
http://www.physicspost.com/articles.php?articleId=190
Ultracold Fermionic Atoms Team up as Molecules: Can They Form Cooper Pairs as Well?
(nutná registrace a poplatek)
http://www.physicstoday.org/vol-56/iss-10/current.html
