Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 38 – vyšlo 13. října, ročník 10 (2012) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

38/2012

Udělení Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2012

Petr Kulhánek

Letošní Nobelova cena za fyziku byla udělena fyzikům Sergemu Harochovi z Francie a Davidu Winelandovi z USA za vývoj zcela nových průlomových kvantových měření a za s nimi souvisejícími technologiemi manipulace s jednotlivými kvantovými objekty. Tyto výzkumy umožňují další vývoj kvantových počítačů, systémů kvantového šifrování a kvantové teleportace. Zároveň dovolují sledovat, za jakých podmínek se kvantové objekty přestávají chovat kvantově a začínají nabývat klasických vlastností, které známe z makrosvěta.

Medaile udělovaná při převzetí Nobelovy ceny

Makrosvět – svět uchopitelný lidskými smysly, svět škál, které jsou pro nás snadno přestavitelné, od tisícin milimetru po miliony kilometrů. Na straně malých rozměrových škál stojí mikrosvět, na straně velkých megasvět. Hranice mezi těmito "světy" není přesně definovaná a často jde o subjektivní hledisko použití. Mikrosvět – svět malých rozměrů neuchopitelný lidskými smysly. V tomto světě platí zákony kvantové teorie, charakteristické jsou diskrétní hladiny některých veličin, dualismus vln a částic, nelokálnost objektů, superpozice jejich stavů a nekomutativnost příslušných teorií. Kvantový stav – soubor pozorovatelných parametrů kvantového systému, kterými je systém plně charakterizován. Popis stavu musí respektovat omezení kvantové mechaniky na současnou měřitelnost či neměřitelnost veličin. Například základní energetický stav atomu značíme symbolem |S>, vakuový stav symbolem |0>, živou kočku označíme |Ž>, mrtvou kočku |M> a podobně. Kvantový stav je zpravidla charakterizován sadou kvantových čísel a je matematicky vyjádřen tzv. vlnovou funkcí (prvkem Hilbertova prostoru stavů). Kvantový počítač – počítač využívající k zápisu informace kvantově mechanické vlastnosti částic, například spin elektronů, spin atomových jader nebo jiné vlastnosti kvantově se chovajících objektů. Kvantový počítač nese současně informaci o všech možných hodnotách kvantované veličiny, a tím provádí paralelně výpočet všech možností, které mohou nastat. Výpočet je mnohonásobně efektivnější než u klasického počítače. Základní jednotka informace se nazývá qubit (kvantový bit). Zatím jsou kvantové počítače ve stádiu ověřování principů. Rydbergův 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). Laserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji, než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Zpravidla se používá šest laserů ve směru a proti směru tří souřadnicových os. Ať se atom vydá kamkoli, vždy proti němu bude svítit laser se správně posunutou frekvencí. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na nanokelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku.

Objekty mikrosvěta se chovají zcela jinak než tělesa, na která jsme zvyklí kolem nás. Tyto objekty se projevují někdy jako vlny a někdy jako částice, dokážou být v několika stavech naráz, interferovat samy se sebou a v mnoha dalších ohledech se odlišují od klasických objektů. K podstatnému rysu mikrosvěta patří akt měření. Při měření v makrosvětě objekty nijak viditelně nenarušíme, ale v mikrosvětě je tomu zcela jinak. Po měření je stav systému jiný, než byl před měřením, a nezřídka je systém samotný zcela zničen. Měření narušuje objekty mikrosvěta, a proto musí být součástí kvantové teorie, která tento – pro nás podivný svět – popisuje. Letošní Nobelova cena byla udělena za vyvinutí technologií měření, které nejen, že objekty mikrosvěta nezničí, ale některé veličiny se dokonce po měření nezmění vůbec.

Serge Haroche

Serge Haroche (1944)

Serge Haroche (1944) se narodil v marocké Casablance, jeho otec byl marocký právník a matka učitelka původem ze Sovětského svazu (dnešní Ukrajiny) - její rodina se přestěhovala do Paříže na počátku 20. let 20. století. Haroche se trvale usídlil ve Francii v roce 1956. Dnes je profesorem a vedoucím katedry kvantové fyziky na Francouzské koleji (nejprestižnější francouzská vědecká kolej sídlící poblíž staré Sorbony). Haroche se zabývá především atomovou fyzikou a kvantovou optikou. V 70. letech vyvinul novou metodu laserové spektroskopie založenou na kvantových rázech předpovězených kvantovou elektrodynamikouQED – Quantum Electrodynamics, kvantová elektrodynamika, současná teorie elektromagnetické interakce. Teorie je postavená na Diracově rovnici pro elektron a na kvantové verzi teorie elektromagnetického pole. Polní částicí interakce je foton.. Poté se dlouhodobě zabýval kvantovými vlastnostmi Rydbergových atomůRydbergův 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).. Tyto obří atomy jsou mimořádně citlivé na mikrovlny, a to je přímo předurčuje ke studiu interakce atomůAtom – základní strukturní jednotka hmoty, jádro je složeno z neutronů a protonů, obaly z elektronů. Rozměry atomu jsou 10⁻¹⁰ m, rozměry jádra 10⁻¹⁴ m, hustota atomu je 10¹¹ g·cm⁻³, hustota jádra 10¹⁴ g·cm⁻³. Elektrony nejsou v atomárnáím obalu lokalizovány, můžeme určit jen pravděpodobnosti jejich výskytu v tzv. orbitalech. s fotonyFoton – 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.. Haroche se svým týmem sledoval ztrátu kvantových vlastností Rydbergova atomu (dekoherenci) ve specializovaném interferometru (viz AB 35/2009).

Za pomoci laseru 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. elektronElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. v atomárním obalu do stavu s velmi vysokou energií. Tím vznikl 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. Na jednom konci byl svazek vystaven pulzu mikrovlnného záření, který vyvolal koherentní superpozici mezi základním stavem Rydbergova atomu 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 Ramseyův interferometr. Poté Harochův 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 atomu. 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 fotonů), proužky byly méně výrazné. Došlo k narušení interference díky propletení stavu letícího atomu s fází koherentníhoKoherence – situace, při které je fázový rozdíl interferujících vln z daného zdroje či objektu v určitém bodě prostoru konstantní a nebo se pomalu mění v čase. Opakem koherence jsou nepravidelné a dostatečně rychlé změny fázového rozdílu interferujících vln. Ideální koherence nelze nikdy dosáhnout. pole v dutině. Dutina obsahující jen několik fotonů je vhodná pro testování kvantové dekoherence a k realizaci logických operací, které využívají kvantový přenos informace.

Ramseyův interferometr. Rydbergovy 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 způsobuje narušení inetrferenčního obrazce, pokud je v ní pole, pomocí kterého lze určit přítomnost (tedy polohu) a stav prolétávajícího Rydbergova atomu. Zdroj: S. Haroche.

David Jeffrey Wineland

David Jeffrey Wineland (1944)

Druhým odměněným fyzikem je Američan David Wineland (1944) pracující dnes v Národním ústavu standardů a technologií (NISTNIST – National Institute of Standards and Technology, Americký Národní úřad standardů a technologie. Založen byl v roce 1901. Jeho laboratoře se nacházejí v Boulderu (Colorado) a v Gaithersburgu (Maryland).) a na Coloradské univerzitě v Boulderu. Wineland pochází z kalifornského Sacramenta, kde navštěvoval střední školu. Poté studoval na Kalifornské univerzitě v Berkeley, kde získal titul bakaláře. Doktorát obdržel na Harvardu pod vedením Normana Ramseye (ten získal Nobelovu cenu v roce 1989). Poté pracoval ve skupině Hanse Dehmelta (sdílel Nobelovu cenu z roku 1989 s Ramseyem) na Washingtonské univerzitě. V roce 1975 začal pracovat v Národním ústavu standardů a technologií NIST.

David Wineland jako první v roce 1978 demonstroval laserové ochlazováníLaserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji, než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Zpravidla se používá šest laserů ve směru a proti směru tří souřadnicových os. Ať se atom vydá kamkoli, vždy proti němu bude svítit laser se správně posunutou frekvencí. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na nanokelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku. (viz AB 12/2003). Tato metoda umožnila ochlazovat elektricky nabité atomy nebo molekuly na teplotu blízkou absolutní nule. Ochlazené ionty zachycené ve vhodné pasti se dají používat k testování základních principů kvantové teorie, na kterých je například založeno kvantové počítání. Winelandova metoda byla poté rozpracována Williamem Phillipsem, Stevenem Chu a Claudem Cohenem-Tannoudji, kterým se podařilo laserově ochladit a poté zachytit v pasti neutrální atomy. Za tyto práce získali Nobelovu cenu v roce 1997. Laserové ochlazování umožnilo Wolfgangu Ketterlemu a Carlu Wiemanovi přípravu bosonového kondenzátuBEC – Boseho-Einsteinův kondenzát (Bose Einstein Condensate, BEC), představuje stav hmoty, ve kterém jsou všechny částice v jednom jediném kvantovém stavu. Vlnové funkce se vzájemně překrývají a při fázovém přechodu vznikne společná vlnová funkce. Soustava částic se začne chovat jako jediná „superčástice“. Boseova-Einsteinova kondenzace vzniká u bosonů, které se mohou nacházet všechny v nejnižším energetickém stavu. Na rozdíl od běžné kondenzace, jako je tomu u fázových přechodů plynů na pevné látky, jde o kondenzaci v prostoru hybností. Přechod od klasického stavu ke kvantovému je náhlý, až dramatický. Kvantové chování se projevuje při teplotě nižší, než je tzv. teplota degenerace., za kterou získali Nobelovu cenu v roce 2001. Winelandovo laserové ochlazování také umožnilo konstrukci laserem chlazených atomových hodin, které jsou dnes standardem při měření času. Winelandova skupina demonstrovala i hodiny tvořené jediným atomem rtutiRtuť – Hydrargyrum, těžký, toxický kovový prvek. Slouží jako součást slitin (amalgámů) a jako náplň různých přístrojů (teploměry, barometry). Je jediným kovem, který je za normálních podmínek kapalný. (nejpřesnější „hodiny“ na světě) a hodiny využívající iont hliníkuHliník – Aluminium, velmi lehký kov bělavě šedé barvy, velmi dobrý vodič elektrického proudu, široce používaný v elektrotechnice a ve formě slitin v leteckém průmyslu a mnoha dalších aplikacích. Hliník byl objeven roku 1825 dánským fyzikem Hansem Christianem Oerstedem.. Winelandova skupina prováděla také průkopnické práce, při kterých vytvořila základní stavební jednotky kvantového počítačeKvantový počítač – počítač využívající k zápisu informace kvantově mechanické vlastnosti částic, například spin elektronů, spin atomových jader nebo jiné vlastnosti kvantově se chovajících objektů. Kvantový počítač nese současně informaci o všech možných hodnotách kvantované veličiny, a tím provádí paralelně výpočet všech možností, které mohou nastat. Výpočet je mnohonásobně efektivnější než u klasického počítače. Základní jednotka informace se nazývá qubit (kvantový bit). Zatím jsou kvantové počítače ve stádiu ověřování principů. a předvedla paralelní přenos informace za pomoci laserem ochlazených iontů zachycených v iontové pasti.

Aparatura pro laserové ochlazování atomů vápníku na univerzitě
ve skotském Starthclyde. Zdroj: Erling Riis Fosa.

Odkazy