Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 35 – vyšlo 11. září, ročník 7 (2009) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

35/2009

Hledáme hranice kvantového světa III

Markus Arndt, Anton Zeilinger, University of Vienna, Austria

Překlad z Physics World 21590

V minulé části jsme se seznámili s experimenty, ve kterých se ukázalo, že i velké a složité molekuly mohou interferovat samy se sebou, pokud interagují málo s okolím, tedy buď je jejich teplota velmi nízká a tím je potlačena emise tepelných fotonů nebo je tlak okolního plynu malý a  jsou tak minimalizovány srážky plynu s obřími molekulami. Každá interakce s okolím totiž znamená principiální možnost zjistit polohu částice. Ta je pak lokalizovaná v prostoru a ztrácí vlnové vlastnosti.

Ramseyův interferometr

Dekoherenci nemusíme sledovat jen ve dvojštěrbinovém experimentu, kdy má molekula klasickou možnost volby dvou drah. Je také možné sledovat interferenci mezi dvěma stavy vhodně připraveného systému. Serge Haroche spolu s kolegy připravili zajímavý experiment na Ecole Normale Supérieure v Paříži. Za pomoci laseruLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. excitovali ve svazku atomů rubidiaRubidium – prvek ze skupiny alkalických kovů, vyznačuje se velkou reaktivitou. Rubidium je měkký (asi jako vosk), lehký a stříbrolesklý kov, který lze krájet nožem. Na rozdíl od předchozích alkalických kovů je těžší než voda. Velmi dobře vede elektrický proud a teplo. Rubidium bylo objeveno roku 1861 německým chemikem Robertem W. Bunsenem a německým fyzikem Gustavem R. Kirchhoffem. elektron v atomárním obalu do stavu s velmi vysokou energií. Tím vznikl tzv. Rydbergův atomRydbergův atom – atom excitovaný do vysokého hlavního a vedlejšího kvantového čísla. Rydbergovy atomy jsou velmi citlivé na okolní elektrická a magnetická pole. Elektronová vlnová funkce může být u některých superpozic stavů těchto atomů aproximována klasickým pohybem elektronu po kružnici. Vysoce excitované atomy jsou pojmenovány podle švédského fyzika Johannese Roberta Rydberga (1854–1919)., u kterého poté sledovali vývoj jeho vnitřních stavů.

Hustota pravděpodobnosti výskytu elektronu (tzv. orbital) pro různé kvantové stavy.
Ve vysokých (Rydbergových) stavech existují i koherentní stavy připomínající
klasické trajektorie elektronu. Zdroj: Aarhus Universitet.

Na jednom konci byl svazek vystaven pulsu mikrovlnného záření, který vyvolal koherentní superpozici mezi základním stavem Rydbergova atomuRydbergův atom – atom excitovaný do vysokého hlavního a vedlejšího kvantového čísla. Rydbergovy atomy jsou velmi citlivé na okolní elektrická a magnetická pole. Elektronová vlnová funkce může být u některých superpozic stavů těchto atomů aproximována klasickým pohybem elektronu po kružnici. Vysoce excitované atomy jsou pojmenovány podle švédského fyzika Johannese Roberta Rydberga (1854–1919). a excitovaným stavem. Na druhém konci svazku bylo další mikrovlnné pole, které interagovalo s Rydbergovým atomem a vytvořilo s prvním polem interferenční obrazec, jehož proužky kopírovaly obsazení (populaci) základního Rydbergova stavu. V některých oblastech svazku bylo tedy zastoupení základního stavu vyšší než v jiných. Jde vlastně o interferenční obrazec způsobený neznalostí informace o tom, ve kterém ze dvou stavů se Rydbergův atom nachází. Interferometr využívající interference mezi dvěma stavy atomu se nazývá Ramseyúv interferometr.

Poté Harocheův kolektiv mezi oba mikrovlnné pulzy umístil mikrovlnný rezonátor (dutinu s mikrovlnným polem). Při interakci s Rydbergovým atomem se mění fáze pole rezonujícího v dutině a z této změny fáze lze v principu určit stav a polohu prolétávajícího Rydbergova atomuRydbergův atom – atom excitovaný do vysokého hlavního a vedlejšího kvantového čísla. Rydbergovy atomy jsou velmi citlivé na okolní elektrická a magnetická pole. Elektronová vlnová funkce může být u některých superpozic stavů těchto atomů aproximována klasickým pohybem elektronu po kružnici. Vysoce excitované atomy jsou pojmenovány podle švédského fyzika Johannese Roberta Rydberga (1854–1919).. Stav Rydbergova atomu je propleten se stavem pole v dutině (aniž by v tomto případě došlo k přenosu hybnosti). Pokud byla dutina prázdná, a informace o stavu atomu nemohla být nijak získána, objevily se výrazné interferenční proužky. Jakmile ale bylo v dutině byť minimální rezonanční pole (například složené z pouhých devíti fotonůFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926.), proužky byly méně výrazné. Došlo k narušení interference díky propletení stavu letícího atomu s fází koherentního pole v dutině.

I další vědci sledovali možnost zakódování informace o poloze do vnitřních stavů částice, jež interferuje sama se sebou. Již v roce 1987 činil takové experimenty Helmut Rauch s kolegy ve Vídni. Pomocí Machova Zehnderova interferometru se mu podařilo zakódovat informaci o dráze polarizovaných neutronůNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10⁻²⁷ kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. za pomoci dvou hodnot projekce spinuSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole.. Mezitím tým Gerharda Rempeho z MPIMPI – Max Planck Institute, největší síť vědeckých ústavů v Německu s po­boč­kami v mnoha velkých městech. Zahrnuje celkem 80 ústavů, jde o německou obdobu naší Akademie věd. v Garchingu využil v atomární interferometrii k nalezení dráhy dva hyperjemné základní stavy atomu rubidia. Oba experimenty potvrzují základní fakt: interference vlny příslušící hmotné částici vymizí, pokud jsou dva různé stavy polohy interferujícího objektu korelovány s jeho vnitřními stavy.

Ramseyův interferometr. Rydbergovy atomy jsou připraveny v aparatuře B. Atomy jsou znázorněny kroužky (naznačují kvaziklasické elektronové orbitaly) a jejich cesta interferometrem šipkou. R1 a R2 jsou pomocné dutiny, první slouží k přípravě superpozice stavů dvojhladinového Rydbergova atomu a druhá k detekci. Interferenční proužky vznikají superpozicí polí z obou dutin (lze je považovat za „ramena“ interferometru. Rezonanční dutina C způsobuje narušení inetrferenčního obrazce, pokud je v ní pole, pomocí kterého lze v principu určit přítomnost (tedy polohu) a stav prolétávajícího Rydbergova atomu. Zdroj: S. Haroche.

Závěr

Propletení stavů kvantové částice s okolím není jediným způsobem, jak narušit interferenci. Problémem může být i šum způsobený naší neschopností mít pod kontrolou experimentální podmínky s dostatečnou přesností. Experimentátoři například bojují s náhodnými fluktuacemi rozdílu délek obou ramen interferometru (dvou drah). Takové fluktuace opět vedou k narušení interferenčního obrazce. Velké molekuly s malou de Broglieho vlnovou délkou jsou na tyto jevy velmi citlivé. V našich experimentech je rozdíl délek ramen interferometru stabilní s přesností jedné tisíciny průměru molekuly. I když experimentální nároky budou v dalších experimentech stále růst, věříme, že se tyto překážky podaří překonat.

Experimenty s vlnovou povahou hmoty ukazují, že mezi klasickým a kvantovým světem není žádná hranice. Objekt se může za určitých podmínek chovat kvantově a za jiných klasicky. Zdá se, že klíčovým faktorem pro ztrátu kvantových vlastností je výměna informací objektu s okolním světem. Přechod ke klasickému chování závisí na tom, zda experimentální uspořádání umožňuje, aby byly získávány informace o kvantovém systému. Například v případě interference v dvjojštěrbinovém experimentu je rozhodující, zda je v principu informace o poloze objektu dostupná okolnímu světu. A vůbec není rozhodující, zda se experimentátor opravdu pokusí tyto informace získat.

Podle našeho názoru je interference možná i pro tak velké objekty, jako jsou bílkoviny, malé viry nebo nanokrystaly s hmotností až 10⁶ AMUAMU – Atomic Mass Unit, atomová hmotnostní jednotka, jedna dvanáctina hmotnosti volného izotopu ¹²C v základním stavu.. Předpokládáme, že pro tak velké objekty nebude problém s dekoherencí při dostatečně nízkých tlacích a teplotách, kdy budou potlačeny srážky a tepelné vyzařování. Žádná principiální hranice pro velikost kvantových objektů asi neexistuje, ale pro získání koherentních svazků superhmotných částic bude třeba vykonat ještě velmi mnoho experimentální práce. Příprava takových experimentů je fascinující výzvou současné vědy.

Konec

 Klip týdne: Doktor Quantum a Plochozemě

Doktor Quantum a Plochozemě. Dr Quantum ukazuje na příkladu bytostí žijících jen ve dvou dimenzích (na Plochozemi) pojem extradimenzí. On sám žije v třírozměrném světě a jeho třetí dimenze je pro bytosti bydlící na Plochozemi neznámá. Extradimenze jsou přirozenou součástí teorií pokoušejících se spojit kvantovou teorii s obecnou relativitou. Některé z těchto dimenzí jsou svinuté (kompaktifikované) a jiné jsou makroskopické, kolmé na ostatní. Takové dimenze bytosti ve svém světě nevnímají, jak tomu je v dnešním klipu týdne. Zdroj: YouTube. (avi, 33 MB)

Odkazy