Laserové chlazení atomů
Letošní Nobelova cena za fyziku byla udělena trojici badatelů za „vývoj metod dovolujících chladit a chytat atomy prostřednictvím laserového záření“. Novými laureáty jsou Steven Chu (Stanfordova univerzita, USA), Claude Cohen-Tannoudji (École normale supérieure, Paříž) a William D. Phillips (National Institutes of Standards and Technology, Gaithersburg, USA). Je to již podruhé v posledním desetiletí, kdy práce v atomové fyzice získala toto kýžené ocenění. Chlazení a chytání atomů lasery zatím především přispělo k základnímu poznání vztahů mezi zářením (světlem) a hmotou (atomy). Ale tak jako v každé dobré vědě, nacházíme i zde příslib širšího použití, a to jak ve vědě samé, tak i v technologii.
Studium atomů hrálo prominentní roli v moderní vědě, zejména pak v kvantové mechanice, která byla dlouho rozvíjena jako teorie atomu. Ve 20. letech O. Stern učinil jednotlivé atomy „hrdiny všedního dne“ ve fyzikálních laboratořích. Práce vyznamenaná Nobelovou cenou r. 1997 se o Sternovu tradici opírá a její možnosti vynáší k novým metám.
Za normálních podmínek se atomy (či molekuly) plynu pohybují všemi možnými směry a se širokým rozdělením rychlostí. Toto rozdělení souvisí s teplotou plynu; například při pokojové teplotě jsou nejpravděpodobnější rychlosti atomů plynu blízké rychlosti projektilu vystřeleného z pušky. Tento „neklid“ činí studium atomů velmi obtížným a omezuje informaci, kterou lze o atomech získat. Atomy se zklidní pouze při velmi nízkých teplotách, blízkých tzv. absolutní nule (tj. –273,15 °C); např. atomy sodíku se při teplotě jedné miliontiny stupně nad absolutní nulou (tj. při teplotě 1 mikrokelvinu) pohybují rychlostí několika centimetrů za sekundu. Při nízkých teplotách plyny ale kondenzují, tj. mění se v kapaliny či pevné látky. Aby se této kondenzaci předešlo a atomy zůstaly „nahé“, je třeba je udržovat v „bezpečné“ vzdálenosti jak jeden od druhého, tak i od jiných atomů, např. těch, jež vytvářejí stěny nádoby, v níž je plyn obsažen. Toho lze dosáhnout tak, že se atomy udržují ve vakuu při nízkých hustotách prostřednictvím elektrických a magnetických polí, jež plní funkci stěn nádoby. Příslušné „nádobě“ se říká atomová past. Aby bylo možno past zaplnit atomy, je třeba atomy zpomalit, či, jak se říká, ochladit. Proto jdou chytání a chlazení atomů ruku v ruce.
S. Chu, C. Cohen-Tannoudji a W. D. Phillips vyvinuli metody, jež dovolují ochladit atomy na teplotu řádu mikrokelvinu účinkem laserového záření a ochlazené atomy zachytit v různých typech pastí.
Světlo se skládá z částic zvaných fotony, jež nesou různé mechanické vlastnosti, jako je například energie či hybnost. Různé barvy světla odpovídají fotonům s různými energiemi a hybnostmi. Na světlo lze rovněž nahlížet jako na (elektromagnetické) vlnění, jehož amplituda kmitá s určitou frekvencí. Energie fotonu je úměrná frekvenci těchto kmitů. Při srážce atomu s fotonem může dojít k tomu, že foton atomu předá svou hybnost; k tomu je ovšem třeba, aby foton nesl správnou energii. To, která energie je správná, je určeno vnitřní strukturou atomu, jeho takzvanými energetickými hladinami. Jestliže se energie fotonu rovná rozdílu dvou energetických hladin atomu, je foton absorbován a po velmi krátké chvíli opět vyzářen – emitován. Při pohybu proudem fotonů (paprskem světla) určité barvy atom „vidí“ barvu, jež je trochu jiná. Tato pozměněná barva odpovídá nižší frekvenci, jestliže se atom a paprsek pohybují v protisměru, a vyšší frekvenci, když se pohybují ve směru stejném. Theodor W. Hänsch s A. L. Schawlowem a nezávisle na nich H. G. Dehmelt a D. J. Wineland rozpoznali, že tento Dopplerův jev lze použít k chlazení atomu. Předpokládejme, že pohybující se atom je ozářen světlem, jehož frekvence je o něco nižší než frekvence nutná k dosažení absorpce atomem v klidu. Pak atom pohybující se v protisměru vzhledem k paprsku „uvidí“ světlo správné frekvence a bude absorbovat foton. Protože při absorpci je zároveň předána hybnost fotonu, atom se rovněž zpomalí. Po chvíli dojde k emisi fotonu atomem, která atom opět urychlí. Ale foton je atomem vyzářen (a tedy atom fotonem urychlen) do náhodného směru, bez korelace se směrem, ve kterém došlo k absorpci, a tedy ke zpomalení. To ovšem znamená, že opakování cyklu absorpce a emise povede k postupnému snižování rychlosti atomu podél směru světelného paprsku, neboť náhodné impulzy předané atomu při emisi se navzájem vystředují, tj. jejich výslednice bude nulová. Tato metoda tzv. Dopplerova chlazení byla poprvé uvedena v život skupinou S. Chu v roce 1985. Chu a jeho spolupracovníci použili tři dvojice laserových paprsků (každá dvojice se skládala z paprsků namířených v opačných směrech, podél tří pravoúhlých souřadnicových os) ke zpomalení atomu sodíku. V průsečíku laserových paprsků se atomy pohybovaly podobně jako v husté tekutině a tak se tomuto uspořádání začalo říkat „optický sirup“.
Zhruba v téže době Phillips a jeho spolupracovníci použili na návrh D. Pritcharda podobnou metodu ke zpomalení atomu sodíku; přidali ale navíc nehomogenní magnetické pole, které jim dovolilo atomy též chytit (většina atomů se chová jako malý magnet). Když se objevila zpráva o úspěchu „optického sirupu“, Phillipsova skupina zkonstruovala novou aparaturu, kombinující „optický sirup“ s magnetickou pastí, a zahájila systematický výzkum chování zachycených atomů. Ten záhy ukázal, že atomy jsou ve skutečnosti studenější, než připouštěl jednoduchý model Dopplerova chlazení (teplota kolem 40 mikrokelvinů). Vysvětlení tohoto nečekaného ale vítaného rozporu podal téměř okamžitě Cohen-Tannoudji se spolupracovníky. Rozpoznal totiž, že jestliže se vezmou v úvahu všechny relevantní energetické hladiny příslušného atomu (včetně takzvané hyperjemné struktury), přibude nový chladicí mechanizmus, který Cohen-Tannoudji nazval Sisyfovo chlazení: atom je stále v situaci, kdy se musí pohybovat jakoby do kopce, a tak ztrácí svou pohybovou energii.
Jak při Dopplerově, tak při Sisyfově chlazení musejí i ty nejstudenější atomy stále absorbovat a emitovat fotony. To jim uděluje malý, ale konečný zpětný ráz, takže jejich rychlost zůstává nenulová. Cohen-Tannoudji a jeho spolupracovníci vyvinuli v letech 1988 až 1995 metodu, která dovoluje obejít i toto omezení. Použitím tzv. „tmavých“ stavů se jim podařilo ochladit atomy helia až na teplotu 0,18 mikrokelvinů.
Atomové pasti otevřely nové oblasti výzkumu, včetně vytvoření a studia Boseova-Einsteinova kondenzátu (viz Vesmír 75, 32, 1996/1) a prototypu atomového laseru (na tomto úsilí se podílí mnoho různých laboratoří, jeho hlavními protagonisty jsou D. Kleppner, T. Greytak, E. Cornell a W. Ketterle). Možné aplikace zahrnují atomové hodiny s výrazně zvýšenou přesností (nutnou např. k navigaci, a to na zemi i ve vesmíru) či atomovou litografii, potřebnou k výrobě mikroelektronických součástek nové generace.
V minulém roce skupina J. Doyla na Harvardově univerzitě vypracovala nový přístup k chlazení a chytání atomů. Ke zpomalení atomu používají místo světla srážky se studeným nárazníkovým plynem (heliem), který je sám chlazen kryogenním zařízením. Na rozdíl od hrstky atomových druhů, které lze chladit laserovým zářením, je tato metoda nezávislá na energetických hladinách chlazených částic. Proto je aplikovatelná nejen na atomy, ale také na molekuly. Chlazení nárazníkovým plynem kombinované s magnetickou pastí tak dovoluje chytat zhruba 70 % prvků v periodické soustavě. Podobně jako se začínají otevírat nové možnosti použití atomové pasti, je pravděpodobné, že k podobným výsledkům povedou i pasti molekulové, s možným dopadem nejen na chemii, ale také na biologii.
Literatura
W. D. Phillips, H. J. Metcalf: Cooling and trapping atoms, Scientific American, March 1987, s. 36–42D. J. Wineland, W. M. Itano: Laser cooling, Physics Today, June 1987, s. 34–40
S. Chu: Laser trapping of neutral particles, Scientific American, February 1992, s. 48–54
C. Cohen-Tannoudji, W. D. Phillips: New mechanisms for laser cooling, Physics Today, October 1990, s. 33–40
A. Aspect, J. Dalibard: Le refroidissement des atomes par laser, La Recherche, Janvier 1994, s. 24–37
C. Cohen-Tannoudji: Des atomes tout prs du zero absolu, Science et Vie, hors serie No. 192, Septembre 1995, s. 128–134
G. B. Lubkin: Experiments cool helium below single-photon recoil limit in three dimensions, Physics Today, January 1996, s. 22–24
Steven Chu (*28. 2. 1948, St. Louis, Missouri, USA)
Studoval na Univerzitě v Rochesteru a doktorát získal roku 1976 na Kalifornské univerzitě v Berkeley. Dlouhou dobu pracoval v Bellových laboratořích, kde se stal vedoucím oddělení kvantové elektroniky a v polovině 80. let realizoval se svými kolegy novou techniku laserové pasti na atomy. Od roku 1987 je profesorem Stanfordovy univerzity.
Jeho odborný zájem je nyní zaměřen na další rozvoj techniky laserového záchytu a chlazení atomů a na její rozšíření do nových oblastí. Konkrétně jde například o použití tzv. optické pinzety k manipulaci s nejrůznějšími molekulami (proteiny apod.) v roztoku a k měření jejich individuálních vlastností.
S. Chu je členem mnoha vědeckých společností (mimo jiné americké Národní akademie věd ) a držitelem řady prestižních cen, které mu byly uděleny za jeho přínos technice laserového chlazení atomů a laserové spektroskopie.
William Daniel Phillips (*5. 11. 1948, Wilkes-Barre, PensylvÁnie, USA)
Doktorát získal roku 1976 na MIT (Massachusetts Institute of Technology). O dva roky později přišel do Národního ústavu pro standardy a technologie (NIST National Institute of Standards and Technology) v Gaithersburgu (Maryland, USA), kam s sebou přinesl téma laserového chlazení atomů a kde působí dodnes. V dubnu 1997 byl zvolen členem americké Národní akademie věd.
W. D. Phillips navázal na práce S. Chu, vyvinul novou techniku měření teploty ochlazeného plynu atomů, což mu umožnilo zjistit (1988), že skutečná teplota je šestkrát nižší, než odpovídá možnostem dopplerovského chlazení (viz s. 10). Podílel se na vysvětlení a vývoji technik chlazení atomů pod dopplerovskou mez, které umožnily dosáhnout rekordně nízkých teplot.
V současnosti se zabývá studiem Boseovy-Einsteinovy kondenzace (Vzorně jednotné atomy, Vesmír 74, 614, 1995/11), rozptylem světla na atomech zachycených do tzv. optické mřížky (to je obdoba rozptylu rentgenového záření na krystalech) nebo použitím ochlazených atomů při výrobě velmi malých (nanometrových) polovodičových struktur.
Claude Cohen-Tannoudji (*1. 4. 1933, Konstantine, Alžír)
Studoval na École normale supérieure (ENS) v Paříži, kde pak strávil celou svoji kariéru (absolutorium 1957, doktorát 1962). Zde měl možnost pracovat s nositelem Nobelovy ceny za fyziku 1966 Alfredem Kastlerem a s Jeanem Brosselem (dnes nese tamní laboratoř jméno Kastler-Brossel). Od roku 1973 vede na Collge de France katedru atomové a molekulární fyziky. Přednášel na mnoha světových univerzitách. Jeho laboratoř na ENS je světově proslulá.
Rok před Nobelovou cenou za fyziku získal C. Cohen-Tannoudji i nejvyšší francouzské ocenění za vědu zlatou medaili CNRS (Národní centrum pro vědecký výzkum). V odůvodnění této pocty se poukazuje na velký podíl laureáta při rozvoji teorie i experimentu v oblasti kvantové optiky. Jeho vědecká a pedagogická činnost přispěla k vytvoření uznávané školy atomární fyziky ve Francii. Teoreticky předpověděl a experimentálně prokázal několik nových jevů při interakci záření s atomy, například sisyfovské chlazení atomů laserem (viz rámeček 5 ). Jeho modelová představa interakce atomu se světlem, označovaná jako atom oblečený do fotonů, se ukázala velmi plodnou a je široce využívána.
Přitažlivost fyziky laserového chlazení atomů oblasti svého celoživotního působení vidí Cohen-Tannoudji (Science et Vie, No. 192, s. 134, Septembre 1995) v jednoduchosti základních myšlenek a koncepcí i v relativně jednoduchém a levném experimentálním vybavení. I malé kolektivy s dobrými myšlenkami si mohou vytyčit ambiciózní cíle a mít rozumnou šanci dosáhnout zde významné výsledky ... Mohu též dosvědčit, že toto bádání nesporně přinese těm, kteří se do něho pustí, potěšení hravé a estetické. A konec konců, není to právě ten hlavní motor všeho bádání?
Dopplerovské chlazení atomů světelným zářením
Základní princip chlazení atomů laserem lze velmi dobře pochopit na základě klasických představ. Působení světla na pohyb atomů je prostě způsobeno tím, že energie světla je rozdělena na kvanta. To jsou fotony, které mají energii přímo úměrnou frekvenci záření (nepřímo úměrnou vlnové délce). Díky tomu, že mají fotony určitou hybnost, získává atom při pohlcení (absorpci) nebo vyzáření (emisi) fotonu určitý impulz (představme si, že chytáme, nebo odhazujeme těžký míč; v prvním případě to s námi trhne ve směru letu míče, v druhém případě ucouvneme opačným směrem). Impulz působící na atom má při absorpci směr šíření světelného paprsku, ale směr impulzu při samovolném zpětném vyzáření fotonu je náhodný (viz obr. A), protože není žádný preferovaný směr spontánní emise. Výsledkem mnoha cyklů absorpce-emise je pak síla ve směru postupu světelného paprsku. Často se mluví o tlaku záření.
Jak ale dosáhnout toho, aby tlak záření působil proti směru pohybu atomů a tím je ochlazoval? Využitím Dopplerova principu. Ten konstatuje, že detektor pohybující se směrem ke zdroji kmitů (třeba zvuku nebo elektromagnetických vln) zaznamená vyšší frekvenci než v situaci, kdy jsou zdroj a detektor vzájemně v klidu. A naopak, v případě jejich vzdalování zaznamená frekvenci nižší. Všichni známe příklad píšťaly lokomotivy, jejíž zvuk se zdá vyšší, když se k nám přibližuje, a nižší, když se vzdaluje. Všichni též víme, že mineme více lidí, když se budeme prodírat proti davu, než když půjdeme s ním. Astronomové (a nejen oni) mluví o červeném posuvu spekter hvězd v důsledku vzdalování Země od ostatních objektů ve vesmíru (rozpínání vesmíru). Je to Dopplerův posuv k nižší frekvenci a nízkofrekvenční okraj viditelného spektra odpovídá červené barvě (v opačném případě přibližování, zvyšování frekvence bychom mluvili o modrém posuvu).
V závislosti na struktuře svých energetických stavů mohou atomy absorbovat určité frekvence elektromagnetického záření. Jestliže na atom posvítíme světlem, jehož frekvence je o trochu menší, nebude se takové záření absorbovat (viz obr. B). Jedině v případě, že se atom pohybuje vhodnou rychlostí proti světelnému paprsku a vidí zvýšenou frekvenci, začne absorbovat fotony (viz obr. C).
Atom je tak při pohybu proti proudu fotonů brzděn, jako kdyby se pohyboval hustým medem, odtud název optický sirup. (Další představy mohou být: prodírání hustým lesem, pohyb s třením o podložku apod.)
Jaká jsou omezení dopplerovského chlazení, na jakou teplotu lze plyn atomů ochladit?
Je to teplota několik milikelvinů (tisícin stupně). Při jistém zchlazení zpomalení totiž atom uniká z účinku zářivého tlaku.
Některé metody chlazení atomů pod Dopplerovskou mez
Od roku 1988 bylo popsáno a použito několik mechanizmů chlazení pod dopplerovskou mez, které však už nejsou ani tak intuitivní jako dopplerovské chlazení, ani tak jednoduše vysvětlitelné.
Především je třeba ustoupit od zjednodušeného (ale často postačujícího) popisu energetických hladin atomu a uvážit i tzv. jemnou strukturu. Ta se projevuje při interakci atomu s elektromagnetickým polem tedy i se světlem. Atomy mají sice nulový celkový elektrický náboj (pokud nejsou ionizovány ochuzeny o nějaké elektrony), ale mohou se v elektromagnetickém poli deformovat jejich kladný a záporný náboj není rozložen rovnoměrně a přitom se mohou posouvat i štěpit jejich energetické hladiny. C. Cohen-Tannoudji zavedl pojem atomu oblečeného do světelného pole (dressed atom).
První mechanizmus jdoucí za dopplerovský limit byl teoreticky vysvětlen skupinou Cohena-Tannoudjiho a také přiléhavě pokřtěn sisyfovské chlazení (přesnější odborný název samozřejmě už není tak vtipný: chlazení gradientem polarizace gradient polarization cooling). Při něm hraje rozhodující roli štěpení základní hladiny atomu, který se nachází v laserovém paprsku. Představme si dva spojité laserové paprsky dvě rovinné vlny postupující proti sobě. Jejich skládáním vzniká stojaté vlnění, tj. v některých místech se vlny odečtou výsledné pole je nulové (uzly), jinde se sečtou (kmitny). Pro popisovanou metodu je navíc důležité, že paprsky mají různou polarizaci směr kmitů pole, a že tedy výsledné pole má prostorově proměnnou polarizaci. V důsledku toho se i různě štěpí základní hladina atomu na podhladiny. Pohybující se atom vidí řadu údolí a vrcholků krajiny potenciální energie. Při pohybu do kopce ztrácí pohybovou energii, je zpomalován; při pohybu z kopce je naopak urychlován. Za vhodných podmínek experimentu má atom právě v okamžiku, kdy vystoupal na vrcholek, velkou pravděpodobnost absorbovat foton. Po jeho zpětném vyzáření však přejde na druhou podhladinu základního stavu, která má v tom místě nižší energii (atom obsazuje vždy především stav s nejnižší energií). Tak se atom dostal optickým čerpáním absorpcí fotonu a jeho zpětným vyzářením opět do údolí a jako bájný Sisyfos musí začínat svou cestu do kopce stále znova (viz obrázek). Tím neustále ztrácí svoji pohybovou energii, pohybuje se pomaleji, ochlazuje se, až skončí uvězněn v údolí.
Sisyfovské chlazení je velmi účinné, může se jím dosáhnout teploty pouhých několika miliontin stupně (jednotky mikrokelvinů). I zde však stále existuje hranice. Atom se nemůže zastavit víc, než odpovídá jednotlivým impulzům při absorpci a emisi fotonu. Díky jim totiž stále koná chaotický pohyb a má tak jistou pohybovou energii, a tedy i nenulovou teplotu, protože na něj působí zpětný ráz při každém vyzáření fotonu. Směr vystřelení fotonu může být libovolný, takže v průměru je účinek těchto rázů nulový, ale atom přesto stále koná chaotický pohyb (podobný známému Brownovu pohybu).
Jít k ještě nižší teplotě lze jen tehdy, pokud zabráníme ochlazenému atomu nadále absorbovat a emitovat fotony. Takový stav atomu se nazývá temný stav a je možný díky kvantové interferenci. Atom se jakoby nachází ve více stavech najednou (potíže s představou takového podivného stavu vedly k formulaci paradoxu Schrödingerovy kočky, která je zároveň živá a mrtvá (viz Vesmír 76, 452, 1997/8) C. Cohen-Tannoudji přirovnal temný stav atomu k šestinohé Schrödingerově kočce). Za vhodných podmínek může atom při spontánní emisi spadnout do temného stavu, a pak už v něm zůstane, je uvězněn. Čím déle bude plyn atomů interagovat s laserovými paprsky, tím více atomů bude znehybněno v temném stavu a teplota bude klesat až do oblasti stovek nanokelvinů.
Ještě většího ochlazení se dosahuje neoptickými metodami, jako je vypařovací chlazení. Základní myšlenkou je využít pružné srážky mezi ochlazenými atomy. Při pružné srážce může přejít pohybová energie jednoho atomu na druhý tak, že tento druhý atom může uniknout z atomové pasti a zbytek atomů je tím ochlazen (podobně jako odpařování potu ochlazuje tělo).
Magneto-optická past
Typické uspořádání magneto-optické pasti vidíme na obrázku. Tři dvojice paprsků (XX, YY a ZZ) z kontinuálního laditelného laseru přicházejí ve směru tří navzájem kolmých os do jednoho místa, kam je také směřován proud atomů. Ve znázorněném uspořádání je navíc jeden laserový paprsek namířen přesně proti proudu přilétajících atomů a má za úkol zpomalovat atomy, vytvářet proti jejich pohybu radiační tlak. Laserové záření působí na atomy pomocí chladicích mechanizmů popsaných na s. 10 a 11, samo však nevytváří dosti účinnou (hlubokou) past na atomy. Proto se přidává nehomogenní (prostorově proměnné) magnetické pole s intenzitou klesající směrem do středu pasti (takové pole lze jednoduše vytvořit dvěma cívkami protékanými proudem v opačných směrech). Magnetické pole interaguje s magnetickým momentem atomů, atomy jsou posouvány do rezonance s laserovým zářením a výsledkem je síla, která je vrací do středu pasti. Tak vzniká neviditelná hradba proti úniku atomů z pasti. V posledních letech bylo pro atomové pasti navrženo a realizováno složitější magnetické pole, s jehož pomocí byly dosaženy rekordně nízké teploty nižší než 1 mikrokelvin (miliontina kelvinu) plynu atomů (viz Rekordně nízká teplota, Vesmír 75, 32, 1996/1).
Magneto-optické pasti jsou stále zdokonalovány a již dnes se staly standardním zařízením v mnoha laboratořích z oblasti fyziky atomů. Typická past umožňuje zachytit stovky milionů až desítky miliard atomů s hustotou až miliardy atomů na krychlový milimetr. Varianta atomové pasti, kde není zdroj atomů, ale jen uzavřená nádoba naplněná při pokojové teplotě příslušnými atomy, a kde jsou použity jen malé polovodičové lasery, může mít velmi malé rozměry a relativně nízkou cenu.
Úspěšně chladit a zachycovat lze jen některé atomy s vhodnou strukturou energetických stavů. Také dostupnost laserů svítících na potřebných vlnových délkách je důležitým kritériem. Seznam laserem ochlazených atomů není dlouhý: sodík, rubidium, cesium, hořčík, vápník a helium (a možná ještě nějaký další).
Podstatnou částí zařízení na chlazení a záchyt atomů je velká vakuová komora se spoustou okének. Uvnitř musí být ultravysoké vakuum, aby zkoumané atomy nebyly rušeny působením cizích atomů (vzduchu). Vodorovně přichází světle oranžový paprsek, který zpomaluje atomy vysílané z opačné strany. Další chlazení je dosaženo šesti zkříženými paprsky žluté barvy. Modrý paprsek pulzního laseru slouží ke zkoumání vlastností atomů vypuštěných z pasti do horní části zařízení (tzv. atomová fontána).
Ke stažení
DATA A SOUVISLOSTI - Nobelova cena za fyziku [4,21 MB]- Článek ve formátu PDF [849,7 kB]
O autorovi
Břetislav Friedrich
Doporučujeme
Přírodovědec v ekosystému vědní politiky 
Od krytí k uzavření rány
