Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 8 – vyšlo 23. února, ročník 2 (2004) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

8/2004

BEC z párů fermionových atomů připraven

Lukáš Kupka

Podle statistického chování dělíme částice na dvě skupiny a to bosony a fermiony. Bosony se se chovají jako "snášenlivé" částice, protože jich může být v jednom kvantovém stavu libovolný počet. Při velmi nízkých teplotách má každý boson ze systému tendenci zaujmout nejnižší energetický stav. Vzniká tzv. Boseho-Einsteinův kondenzát, který může mít supravodivé a supratekuté vlastnosti. Naopak fermiony jsou částice, které sdílejí stejný kvantový stav velmi neochotně, splňují tzv. Pauliho vylučovací princip.

Pauliho vylučovací princip - „Dva fermiony nemohou být nikdy ve stejném kvantovém stavu". Právě proto různé elektrony v atomárním obalu zaujímají různé kvantové stavy a tím vytvářejí různorodé chování chemických prvků. Fermiony - částice, které mají poločíselný spin, antisymetrickou vlnovou funkci, splňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Fermiho-Diracovu statistickému rozdělení. Patří mezi ně všechny leptony, kvarky a baryony – například elektron, neutrino, proton, neutron. Při nízkých teplotách fermiony obsazují stavy postupně, až po tzv. Fermiho mez EF. Bosony - částice, které mají celočíselný spin, symetrickou vlnovou funkci, nesplňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Boseho-Einsteinově statistickému rozdělení. Například jsou to všechny skalární i vektorové mezony, fotony, gluony. Při nízkých teplotách se bosony mohou hromadit v základním stavu. Boseho-Einsteinův kondenzát - (Bose Einstein Condensate, BEC) stav hmoty, kdy se všechny bosony nacházejí v jediném a také nejnižším možném energetickém stavu. Tyto částice se chovají jako jeden jediný celek (tzv. koherentní chování), jsou popsány jednou vlnovou funkcí a mají zajímavé makroskopické vlastnosti. Někdy se pro tento stav hmoty užívá také název bosonový kondenzát, superatom či supermolekula. Fermiho degenerovaný plyn - plyn se střední tepelnou energií podstatně nižší než Fermiho mez, kvantové vlastnosti jsou pro tento plyn podstané a určují jeho chování. Laserové ochlazování - metoda, při které atomy prochází laserový paprsek s nepatrně nižší energii, než odpovídá energie záchytu fotonů atomy, čímž se pomocí Dopplerova jevu a interakcí snižuje hybnost atomů. Touto metodou se dosahuje teplot řádově mikrokelvinů a v roce 1997 za její objev byla udělena Nobelova cena za fyziku. Chlazení odpařováním - metoda, kterou se pokračuje po laserovém ochlazování a dosahuje se teplot nízkých až desítky nanokelvinů. Spočívá ve změnách magnetického pole, kterým je snižována hladina energetické pasti, ve které zůstávají jen atomy s nejnižší energií. Atomy s vyšší energií past opouštějí podobně jako v horkém šálku kávy odletují z povrchu molekuly vody s nejvyšší energií a tvoří páru. Feshbachova rezonance - rezonance, která nastává pokud pohybová energie srážejících se atomů je stejná jako energie vázaného stavu. Touto rezonancí se zvyšuje účinný průřez srážek atomů a roste pravděpodobnost vzniku molekul.

Atomární Boseho-Einsteinův kondenzát byl poprvé připraven v roce 1995. Zasloužili se o to vědci na třech různých pracovištích a použili k tomu i různé atomy s celočíselným spinem (bosony). Prvními byli Eric Cornell a Carl Wieman z Univerzity v Coloradu, kteří počátkem roku 1995 použili ke svému pokusu atomy rubidia Rb-87 ochlazené metodou laserového ochlazování až na teplotu 180 nK. Při této teplotě se po dobu asi 15 sekund vytvořil BEC, který byl složen z přibližně 2 000 atomů. O pár měsíců později se skupině vědců z Texaské univerzity podařilo vytvořit BEC asi ze 100 000 atomů lithia LI-7. A ke konci roku obě skupiny překonal Wolfgang Ketterle se spolupracovníky z MIT (Massachusetts Institute of Technology). Ti pozorovali BEC složený z více než půl miliónu atomů sodíku Na-23 a dosáhli asi 10 000krát rychlejšího zhušťování než předchozí skupiny. Příprava atomárního BEC z různých prvků byla v následujících letech uskutečněna v řadě dalších laboratoří (viz Aldebaran bulletin 41/2003). Za své průkopnické práce obdrželi Eric Cornell, Carl Wieman a Wolfgang Ketterle Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2001.

Fermiho degenerovaný plyn byl dalším stupněm poznání kvantových vlastností látek za nízkých teplot. Příprava se podařila skupině vědců z Univerzity v Coloradu v roce 1999. Látka v tomto stavu je charakteristická tím, že jednotlivé atomy postupně obsadí všechny energetické hladiny od nejnižších k vyšším. Střední tepelná energie atomů je podstatně nižší než Fermiho mez. Dosáhnout tohoto stavu není jednoduché, protože ochlazování fermionů je mnohem obtížnější než ochlazování bosonů. Energie fermionů je jen velmi obtížně rozptylována vzájemnými srážkami. Proto musely být připraveny atomy draslíku K-40 s dvěma různými spinovými stavy. Tyto atomy se potom mohly srážet mezi sebou, čímž bylo umožněno chlazení odpařováním. Poté byla jedna část atomů odstraněna pomocí elektromagnetického pole radiové frekvence a druhá byla zachycena v magnetickém poli k dalšímu využití. Tímto způsobem bylo dosaženo teploty asi 290 nK, což byla tehdy nejnižší dosažená teplota pro fermionový plyn.

Molekulární Boseho-Einsteinův kondenzát byl dalším krokem v přípravě ultrachladných plynů. Bosonové molekuly rubidia se podařilo přivést do BEC fáze v roce 2000 na Texaské univerzitě. A připravení molekulárního BEC kondenzátu většího počtu molekul cesia se zdařilo na Innsbrucké univerzitě v roce 2003. Více o těchto objevech naleznete v Aldebaran bulletinu číslo 41/2003.

Molekulární BEC z párů fermionových atomů, poslední velký pokrok učiněný v roce 2003. BEC kondenzát byl připraven z molekul složených z párů fermionových atomů. Tyto páry atomů mají jako celek vlastnosti bosonů, proto mohou tvořit BEC. Tento kondenzát se povedlo připravit dvěma skupinám vědců z Rakouska a z USA.

Rudolf Grimm s kolegy z univerzity v rakouském Innsbrucku použil atomy lithia Li-6 (s různými spiny) v optické dipólové pasti. Z nich se vytvořily chlazením odpařováním v blízkosti Feshbachovy frekvence molekuly a ty pak dalším chlazení odpařováním kondenzovaly v tepelném rovnovážném stavu. Tím vznikl BEC kondenzát, který obsahoval více než 150 000 molekul Li₂. Doba udržení BEC fáze byla přibližně 20 sekund.

Americká skupina z Colorada úspěšně připravila BEC z velmi slabě vázaných molekul složených z fermionových atomů draslíku K-40 ochlazených na 150 nK. Skupina pracovala pod vedením Deborah Jina z NIST (National Institut of Standards and Technology).

Zařízení pro přípravu BEC na Innsbrucké univerzitě.

V dalším výzkumu se vědci chtějí zaměřit na vazební sílu mezi páry atomů. Jedním extrémem je intenzivní interakce, která je typická pro BEC fázi. Druhým extrémem je situace, při které je dvojice atomů z hlediska fyziky sice v korelovaném stavu, ale nedochází přitom ke klasické chemické vazbě. Nejlepším příkladem této "křehké" korelace je Cooperův pár tvořený elektrony a umožňující supravodivost. Ale takový Cooperův pár z fermionů, jenž je znám například ze supratekutého hélia He-3, se ještě v BEC při pokusech s plyny nepodařilo prokázat. Vědci se také domnívají, že BEC připravený z fermionových molekul, by mohl být v jistém smyslu analogií se supravodivostí a supratekutostí u pevných látek. Zatím ale v žádném experimentu nebyla fermionová supratekutost prokázána.

Odkazy