Cornell Eric A. Wieman Carl E. Kondensacja Bosego-Einsteina, świat nauki

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Kondensacja BosegoÐEinsteina
Przed trzema laty naukowcom z Kolorado uda¸o si« zrealizowa wieloletnie
marzenie fizykw Ð przybliýy æwiat kwantw codziennym wyobraýeniom
Eric A. Cornell i Carl E. Wieman
sp¸ badawczy w Joint Insti-
tute for Laboratory Astro-
physics (obecnie zwanym JILA) w
Boulder (Kolorado) wytworzy¸ ma¸,
cho niezwyk¸ kropl«. Och¸adzajc
2000 atomw rubidu do temperatury
niýszej niý zaledwie jedna stumiliardo-
wa stopnia powyýej zera bezwzgl«dne-
go (jedna stumiliardowa kelvina), uzy-
skaliæmy warunki, w ktrych na ca¸e
10 s atomy straci¸y swoj toýsamoæ i za-
chowywa¸y si« jak pojedynczy ãsupera-
tomÓ. Pod wzgl«dem w¸asnoæci fizycz-
nych upodobni¸y si« do siebie Ð przede
wszystkim porusza¸y si« dok¸adnie tak
samo. Wytworzony w ten sposb kon-
densat BosegoÐEinsteina (BEC), po raz
pierwszy zaobserwowany w gazie, moý-
na uwaýa za czstkowy odpowiednik
lasera Ð z t rýnic, ýe w kondensacie
to atomy, a nie fotony taÄcz w idealnej
harmonii.
Nasza krtko ýyjca galaretowata
prbka by¸a urzeczywistnieniem teore-
tycznych przewidywaÄ, ktre intrygo-
wa¸y naukowcw od 74 lat, czyli od mo-
mentu, kiedy Albert Einstein i hinduski
fizyk Satyendra Nath Bose przewidzieli
istnienie kondensatu. W temperaturze
pokojowej atomy gazu poruszaj si« cha-
otycznie wewntrz ca¸ej obj«toæci pojem-
nika, w ktrym s zamkni«te. Niektre
z nich maj duý energi« (duý pr«d-
koæ), inne mniejsz. Uoglniajc prac«
Bosego, Einstein wykaza¸, ýe jeæli taki
gaz zostanie odpowiednio ozi«biony,
wwczas znaczna cz«æ wszystkich ato-
mw osidzie w jednym stanie o najniý-
szej moýliwej energii. Fale, ktre w ma-
tematycznym formalizmie teorii opisuj
takie fizyczne cechy atomw, jak ich po-
¸oýenie i pr«dkoæ, zlewaj si« wzajemnie
i w rezultacie nie moýna odrýni jedne-
go atomu od drugiego.
Post«p, jaki dokona¸ si« w badaniach
nad otrzymaniem kondensatu BosegoÐ
Einsteina, wzbudzi¸ wielkie zaintere-
sowanie fizykw, a nawet zosta¸ odno-
towany przez czo¸owe gazety codzien-
ne. Cz«æciowo podyktowane to by¸o
dramaturgi, ktra nieod¸cznie towa-
rzyszy trwajcym dziesitki lat prbom
eksperymentalnej weryfikacji teorii Ein-
steina. Przede wszystkim jednak fascy-
nacja ta wynika¸a z faktu, ýe kondensat
jest makroskopowym oknem, przez kt-
re moýna spojrze na dziwny æwiat me-
chaniki kwantowej Ð teorii zasadzajcej
si« na spostrzeýeniu, ýe czstki elemen-
tarne, takie jak elektron, wykazuj w¸a-
snoæci falowe. Mechanika kwantowa,
ktra zawiera s¸ynn zasad« nieozna-
czonoæci Heisenberga, opisuje struktu-
r« i oddzia¸ywanie materii, przypisujc
czstkom w¸asnoæci typowe dla fal.
Niezwykle rzadko moýna zauwaýy
efekty kwantowe, gdy obserwuje si« ma-
kroskopow iloæ jakiejæ substancji.
W zwyk¸ych cia¸ach, potocznie zwanych
cia¸ami obj«toæciowymi, wk¸ady pocho-
dzce od niezliczonej liczby budujcych
je czstek dodaj si« w sposb niespjny,
zaciemniajc falowe w¸asnoæci wynika-
jce z praw mechaniki kwantowej. Nato-
miast w przypadku kondensacji Bosego
fala opisujca w¸asnoæci dowolnego ato-
mu jest dok¸adnie w tej samej fazie, co fa-
la opisujca kaýdy inny atom. Fale kwan-
towo-mechaniczne rozcigaj si« wi«c na
ca¸ obj«toæ kondensatu i moýna je za-
uwaýy go¸ym okiem. Tak oto to, co by¸o
mikroskopowe, staje si« makroskopowe.
ku prbek o typowych rozmiarach prze-
strzennych zawsze moýna wyznaczy
po¸oýenie i ruch kaýdego pojedyncze-
go obiektu naleýcego do danego zbio-
ru. Ponumerowane pi¸eczki pingpon-
gowe podskakujce w wirujcym b«bnie
maszyny losujcej ilustruj te rodzaje
ruchw, ktre moýna opisa prawami
mechaniki klasycznej.
PUüAPKA ATOMOWA ch¸odzi atomy
dzi«ki wykorzystaniu dwch odmiennych
mechanizmw. Najpierw szeæ wizek la-
serowych
(czerwony)
ozi«bia atomy, ktre
pocztkowo mia¸y temperatur« pokojow,
jednoczeænie popychajc je do ærodka szkla-
nego pude¸ka oprýnionego z powietrza.
Nast«pnie wizki laserowe s wy¸czane,
a cewki magnetyczne (miedziane) zostaj
zasilane. P¸yncy w nich prd wytwarza po-
le magnetyczne, ktre chwyta wi«kszoæ
atomw, jednoczeænie pozwalajc tym o naj-
wi«kszej energii uciec z pu¸apki. W ten spo-
sb ærednia energia pozosta¸ych atomw
maleje, dzi«ki czemu prbka ozi«bia si«
oraz skupia jeszcze ciaæniej wok¸ ærodka
pu¸apki. W rezultacie wiele atomw osiga
stan o najniýszej dozwolonej przez mecha-
nik« kwantow energii, tworzc jedn ca-
¸oæ zwan kondensatem BosegoÐEinsteina.
Stare paradoksy w nowym æwietle
Wytworzenie kondensatu BosegoÐ
Einsteina rzuca nowe æwiat¸o na stare
problemy mechaniki kwantowej. Jeæli
przyk¸adowo dwa atomy (lub wi«cej)
znajduj si« w tym samym stanie kwan-
towomechanicznym, tak jak to si« dzie-
je w kondensacie, wwczas z funda-
mentalnych powodw w ýaden sposb
nie daje si« ich odrýni za pomoc ja-
kiegokolwiek pomiaru. Te dwa atomy
zajmuj tak sam obj«toæ, poruszaj
si« z identyczn pr«dkoæci, rozprasza-
j æwiat¸o o tej samej barwie itp.
Nasze codziennne doæwiadczenie,
oparte na znajomoæci materii w normal-
nej temperaturze, nie pomaga nam zro-
zumie tego paradoksu, poniewaý
w zwyk¸ych temperaturach w przypad-
26 å
WIAT
N
AUKI
Maj 1998
W
czerwcu 1995 roku nasz ze-
W ekstremalnie niskich temperaturach
lub Ð z drugiej strony Ð w przypadku
uk¸adw o bardzo ma¸ych rozmiarach
przestrzennych mechanika klasyczna
przestaje by przydatna. Krucha analogia
mi«dzy atomami i pi¸eczkami pingpon-
gowymi si« rozp¸ywa. Nie moýemy do-
k¸adnie wyznaczy po¸oýenia atomu i po-
winniæmy go sobie wyobraýa raczej jako
rozmyt plamk«. Plamka ta Ð znana pod
nazw paczki falowej Ð obrazuje obszar
przestrzeni, w ktrym szansa znalezie-
nia atomu jest duýa. W miar« jak atomy
staj si« zimniejsze, rozmiar kaýdej z pla-
mek roænie. Dopki poszczeglne pacz-
ki falowe pozostaj rozdzielone prze-
strzennie, dopty moýna w zasadzie
odrýni atomy. Jednak gdy temperatu-
ra staje si« wystarczajco niska, paczki
falowe ssiadujcych atomw zaczyna-
j zachodzi na siebie. Wtedy w¸aænie
atomy ãBose-kondensujÓ, zajmujc stan
o najniýszej energii, a paczki falowe ato-
mw ¸cz si« w jeden makroskopowy
pakiet. Atomy przechodz kwantowy
kryzys toýsamoæci: nie moýemy ich juý
od siebie odrýni.
Obecne poruszenie towarzyszce za-
gadnieniom zwizanym z kondensatem
kontrastuje z reakcjami na odkrycie Ein-
steina w 1924 roku, kiedy przewidzia¸
on moýliwoæ istnienia takiej formy ma-
terii. Prawdopodobnie z powodu nie-
wiary w uzyskanie wymaganej tempe-
ratury Ð mniejszej niý jedna milionowa
kelvina Ð hipotetyczny gazowy konden-
sat traktowano raczej jako wtpliw cie-
kawostk« o niewielkim znaczeniu fi-
zycznym. Dla porwnania: nawet w naj-
zimniejszych otch¸aniach przestrzeni
mi«dzygalaktycznej panuje temperatu-
ra milion razy za wysoka dla zaistnie-
nia kondensacji Bosego.
Jednak po up¸ywie kilkudziesi«ciu lat
znw powrci¸a moda na kondensacj«
Bosego. Fizycy zauwaýyli, ýe zjawisko to
moýe by odpowiedzialne za nadciek¸oæ
helu, czyli efekt, ktry pojawia si«
w znacznie wyýszej temperaturze niý kon-
densacja Bosego w gazie. Poniýej tempe-
ratury 2.2 K lepkoæ ciek¸ego helu nagle
zanika, co sprawia, ýe staje si« ãbardziejÓ
niý ciek¸y, po prostu nadciek¸y.
Aý do pnych lat siedemdziesitych
technologia ch¸odzenia nie by¸a na tyle
zaawansowana, by fizycy mogli w og-
le bra pod uwag« realizacj« oryginalnej
idei Einsteina Ð otrzymanie BEC w ga-
zie. Pracownicy laboratoriw MIT, Uni-
versiteit te Amsterdam, University of
British Columbia i Cornell University
musieli stawi czo¸o fundamentalnym
problemom. Uzyskanie kondensatu wy-
maga¸o sch¸odzenia gazu znacznie po-
niýej temperatury, w ktrej zwykle on
zamarza. Innymi s¸owy, konieczne by¸o
wytworzenie przesyconego gazu. Ocze-
kiwano, ýe najlepszym kandydatem b«-
dzie wodr, gdyý atomy tego pierwiast-
ka opieraj si« procesowi ¸czenia w gru-
py, ktry poprzedza zamarzanie.
1
Chociaý badaczom tym dotd nie uda-
¸o si« uzyska kondensacji BosegoÐEin-
steina w wodorze, przyczynili si« oni do
znacznie g¸«bszego zrozumienia napoty-
kanych trudnoæci, a takýe znaleli bar-
dzo sprytne metody ich pokonywania.
My zaæ skorzystaliæmy z ich doæwiad-
czeÄ. Zainspirowani eksperymentami
z wodorem oraz zach«ceni wynikami
w¸asnych badaÄ nad uýyciem laserw do
chwytania i ch¸odzenia atomw alkalicz-
nych w 1989 roku zacz«liæmy podejrze-
wa, ýe w¸aænie te atomy, czyli cez, ru-
bid i sd, mog by znacznie lepszymi
kandydatami niý wodr do uzyskania
kondensatu Bosego. Ze wzgl«du na swo-
j sk¸onnoæ do ¸czenia si« w grupy nie
s wcale lepsze od atomw wodoru, nie-
mniej jednak znacznie szybciej niý one
przechodz do fazy skondensowanej. Te
o wiele wi«ksze atomy zderzaj si« duýo
cz«æciej, dzielc mi«dzy siebie energi«
tak szybko, ýe osigaj stan kondensatu,
zanim gaz zdýy zamarzn.
Wydawa¸o si« rwnieý, ýe stosunko-
wo ¸atwo i tanio b«dzie moýna ozi«bi
atomy, jeæli uda si« po¸czy wspania-
¸e metody ch¸odzenia i pu¸apkowania
atomw alkalicznych za pomoc æwia-
t¸a laserowego z wypracowanymi przez
naukowcw badajcych wodr techni-
kami chwytania atomw w zewn«trz-
nym polu magnetycznym i odparowy-
wania gorcych czstek. Pomys¸y te
narodzi¸y si« w wyniku licznych dys-
kusji z naszym przyjacielem, a jedno-
czeænie by¸ym nauczycielem Danielem
Kleppnerem Ð jednym z liderw grupy
badawczej z MIT prbujcej uzyska
kondensat w gazowym wodorze.
Ostatecznie nasza hipoteza dotycz-
ca metali alkalicznych okaza¸a si« s¸usz-
na. Zaledwie kilka miesi«cy po tym, jak
uda¸o si« nam z atomami rubidu, grupa
Wolfganga Ketterlego z MIT wytwo-
rzy¸a kondensat Bosego w sodzie; do
tej pory zespo¸owi Ketterlego uda¸o si«
wytworzy kondensat sk¸adajcy si«
z 10 mln atomw. W chwili pisania te-
go artyku¸u juý co najmniej siedem ze-
spo¸w wytworzy¸o kondensaty.
2
Ba-
dania z atomami rubidu oprcz nas
prowadz Daniel J. Heinzen z University
of Texas w Austin, Gerhard Rempe
z Universitt Konstanz w Niemczech
i Mark Kasevich z Yale University.
Z atomami sodu niezaleýnie od grupy
Ketterlego z MIT pracuje zesp¸ pod kie-
runkiem Lene Vestergaard Hau z Row-
land Institute for Science w Cambridge
(Massachusetts). Z kolei Randall G. Hu-
let z Rice University wytworzy¸ konden-
sat w licie.
Wszystkie wymienione zespo¸y ba-
dawcze uýywaj tej samej podstawowej
aparatury. Kaýde ch¸odzenie, w tym
rwnieý ozi«bianie atomw, polega na
odebraniu ciep¸a z uk¸adu oraz na izo-
lowaniu od otoczenia ch¸odzonej prb-
ki. Warunki te musz by spe¸nione na
kaýdym z dwch etapw ch¸odzenia
atomw. W pierwszym etapie æwiat¸o
laserowe zarwno ch¸odzi, jak i izoluje
atomy. W drugim Ð pole magnetyczne
izoluje uk¸ad, a ch¸odzenie odbywa si«
przez odparowanie.
Laserowe ch¸odzenie i pu¸apkowanie
Sercem naszej aparatury jest ma¸e
szklane pude¸ko otoczone p«tlami z dru-
tu, czyli cewkami magnetycznymi [
ilu-
stracja na stronach 26Ð27
]. Ca¸kowicie od-
pompowujc powietrze z tej szklanej
komrki, uzyskujemy niezwykle spraw-
nie dzia¸ajcy termos. Nast«pnie umiesz-
czamy w jego wn«trzu niewielk iloæ
par rubidu. Szeæ wizek æwiat¸a lasero-
wego przecina si« w ærodku komrki,
otaczajc zawarty wewntrz gaz. åwia-
t¸o laserowe nie musi by intensywne,
do jego wytworzenia uýywamy wi«c ta-
nich laserw p¸przewodnikowych po-
dobnych do tych, jakie stosuje si« w od-
twarzaczach p¸yt kompaktowych.
CHüODZENIE PRZEZ ODPAROWANIE zachodzi w pu¸apce magnetycznej, ktr moýe-
my sobie wyobrazi jako g¸«bok misk«
(niebieski)
. Atomy, ktrych trajektorie zosta¸y
oznaczone na rysunku za pomoc d¸ugich zielonych strza¸ek, maj najwi«ksz energi«
i uciekaj z pu¸apki
(u gry z lewej)
.Te, ktre zosta¸y, bardzo cz«sto zderzaj si« ze sob,
dzielc si« przy tym energi
(z lewej)
. W rezultacie atomy poruszaj si« na tyle wolno i s
tak g«sto upakowane na dnie miski, ýe uwidacznia si« ich kwantowa natura. Tzw. pakie-
ty falowe reprezentujce obszary, w ktrych prawdopodobieÄstwo znalezienia atomu jest
duýe, stopniowo zbliýaj si« i zaczynaj zachodzi na siebie
(poniýej z lewej)
. W pewnym
momencie dwa atomy zderzaj si« i jeden z nich lduje tak blisko punktu stacjonarnego,
jak tylko pozwala na to zasada nieoznaczonoæci Heisenberga. To zdarzenie uwalnia lawi-
n« atomw lokujcych si« w stanie o najniýszej energii pu¸apki i ¸czcych si« w jedn
odpowiadajc stanowi podstawowemu plamk«, ktra jest kondensatem BosegoÐEinsteina
(poniýej poærodku i z prawej)
.
SIüA
CHüODZENIE LASEROWE atomu polega
na wykorzystaniu ciænienia, czyli si¸y, jak
wywieraj fotony padajce na atom. Atom
poruszajcy si« naprzeciw wizki laserowej
napotyka æwiat¸o o wi«kszej cz«stotliwoæci
niý atom zmierzajcy zgodnie z wizk.
W procesie ch¸odzenia cz«stotliwoæ wizki
jest dobrana w ten sposb, ýe atom biegn-
cy naprzeciw wizki rozprasza wi«cej foto-
nw, niý atom uciekajcy od niej. Wypad-
kowy efekt prowadzi do zmniejszenia
pr«dkoæci, a wi«c och¸odzenia atomu.
PR¢DKOå
SIüA
energi« reszty cieczy. Tymczasem wiel-
ka liczba zderzeÄ pomi«dzy pozosta¸y-
mi w naczyniu czsteczkami prowadzi
do rozdzia¸u mi«dzy nimi pozosta¸ej
energii. G«stoæ naszej chmury atomo-
wej z¸apanej przez pole magnetyczne
jest znacznie mniejsza niý g«stoæ wo-
dy w kubku. Z tego powodu g¸wnym
wyzwaniem, jakiemu stawialiæmy czo-
¸o przez pi« lat zmagaÄ eksperymen-
talnych, by¸o rozwizanie problemu
zderzeÄ atomowych. Zderzenia te mu-
sz bowiem by na tyle cz«ste, aby w ich
wyniku energia zosta¸a rozdzielona mi«-
dzy schwytane atomy, zanim zostan
one wybite z pu¸apki przez ciep¸e, nie
uwi«zione atomy o temperaturze poko-
jowej, ktrych pewna liczba pozostaje
w naszej szklanej komrce.
Problem ten zosta¸ rozwizany na
drodze wielu drobnych ulepszeÄ, nie
zaæ dzi«ki jakiemuæ prze¸omowemu od-
kryciu. Przyk¸adowo: pod¸czajc na-
sz komrk« do pompy prýniowej,
zwracaliæmy baczn uwag« na to, aby
kaýda cz«æ by¸a idealnie czysta. Nawet
najmniejsze zabrudzenie z naszych rk,
ktre osadzi¸oby si« na wewn«trznych
powierzchniach aparatury, mog¸oby
sta si« rd¸em par obniýajcych jakoæ
prýni. Wprowadziwszy do komrki
odpowiedni liczb« atomw rubidu
w celu nape¸nienia pu¸apki optycznej,
musieliæmy takýe zadba o to, aby ta
niewielka iloæ pary rubidu, ktrej nie
uda¸o si« uwi«zi, by¸a tak ma¸a jak tyl-
ko moýliwe.
Te kolejne kroki by¸y bardzo pomoc-
ne, ale cigle nie udawa¸o si« nam uzy-
ska g«stoæci umoýliwiajcej wydajne
ch¸odzenie przez odparowanie. Pod-
stawowym problemem by¸a skutecz-
noæ pu¸apki magnetycznej. Mimo ýe
pole wytwarzajce magnetyczn ãmi-
sk«Ó moýe by doæ silne, to jednak ma¸y
magnesik wewntrz atomu jest bardzo
s¸aby. Z tego powodu nie¸atwo mani-
pulowa atomem za pomoc pola ma-
gnetycznego, nawet jeæli porusza si«
on dosy wolno (tak jak nasze atomy
wst«pnie och¸odzone æwiat¸em lasero-
wym).
Ostatecznie w roku 1994 stan«liæmy
przed koniecznoæci zbudowania nowej
PR¢DKOå
Cz«stotliwoæ æwiat¸a wytwarzanego
przez lasery dobieramy w taki sposb,
aby atomy ch«tnie poch¸ania¸y i emito-
wa¸y fotony. Atom moýe zaabsorbowa
i wyemitowa wiele milionw fotonw
w cigu sekundy, za kaýdym razem do-
znajc malutkiego odrzutu w kierunku
ruchu zaabsorbowanego fotonu. Odrzut
ten zwany jest ciænieniem promieniowa-
nia. Ca¸a sztuka ch¸odzenia laserowego
polega na tym, aby zmusi atom do ab-
sorbowania przede wszystkim fotonw
biegncych w kierunku przeciwnym do
jego ruchu, co w rezultacie prowadzi do
spowolnienia atomu (innymi s¸owy Ð do
ch¸odzenia). Cel ten osigamy, starannie
dopasowujc cz«stotliwoæ æwiat¸a lase-
rowego, ktra musi pozostawa w od-
powiednim stosunku do cz«stotliwoæci
æwiat¸a najch«tniej poch¸anianego przez
atomy [
ilustracja powyýej
].
W naszym uk¸adzie doæwiadczalnym
æwiat¸o laserowe s¸uýy nie tylko do ch¸o-
dzenia atomw, ale takýe do ich ãwi«-
zieniaÓ, czyli utrzymywania z dala od
majcych temperatur« pokojow æcia-
nek komrki. W rzeczywistoæci obie te
funkcje realizowane s w podobny spo-
sb. Rwnieý efekt pu¸apkowania ato-
mw uzyskujemy, odpowiednio wyko-
rzystujc ciænienie promieniowania.
åwiat¸o musi przeciwstawia si« sk¸on-
noæci atomw do dryfowania poza æro-
dek pu¸apki. S¸abe pole magnetyczne
dostraja rezonansow cz«stotliwoæ ato-
mu tak, ýeby ch«tniej absorbowa¸ on
æwiat¸o z tej wizki, ktra podýa w kie-
runku ærodka pu¸apki (zauwaýmy, ýe
szeæ wizek laserowych krzyýuje si«
w ærodku komrki). Wypadkowy efekt
jest taki, ýe wszystkie atomy s popy-
chane w kierunku jednego niewielkie-
go obszaru i utrzymywane tam jedynie
si¸ æwiat¸a laserowego.
Za pomoc tych technik w cigu mi-
nuty nape¸niamy nasz pu¸apk« lasero-
w 10 mln atomw rubidu wychwyco-
nymi z wype¸niajcej komrk« pary
o temperaturze pokojowej. Te schwyta-
ne atomy maj temperatur« rwn oko-
¸o jednej czterdziestomilionowej stop-
nia powyýej zera bezwzgl«dnego Ð
niezwykle nisk wedle prawie wszyst-
kich moýliwych norm, aczkolwiek ci-
gle oko¸o 100 razy za wysok, by uzy-
ska BEC. Pos¸ugujc si« æwiat¸em
laserowym, nie zdo¸amy zapobiec przy-
padkowemu poszturchiwaniu atomw
przez pojedyncze fotony, co uniemoý-
liwia dalsze ch¸odzenie lub osigni«cie
wi«kszej g«stoæci atomw.
Aby wi«c obejæ ograniczenia wyni-
kajce z przypadkowego wp¸ywu foto-
nw na ruch atomw, na tym etapie ozi«-
biania wy¸czamy wszystkie lasery
i rozpoczynamy drug faz« ch¸odzenia.
Polega ona na pu¸apkowaniu magnetycz-
nym i ch¸odzeniu przez odparowanie Ð
metodach wypracowanych w poszuki-
waniach kondensatu w atomowym wo-
dorze. Funkcjonowanie pu¸apki magne-
tycznej wykorzystuje fakt, ýe kaýdy atom
zachowuje si« jak maleÄka sztabka ma-
gnesu, jest wi«c poddany dzia¸aniu si¸y,
gdy zostanie umieszczony w polu ma-
gnetycznym [
ilustracja na nast«pnej stro-
nie
]. Starannie dobierajc geometri« po-
la magnetycznego, ktre musi by
rwnieý stosunkowo silne, moýemy
uwi«zi atomy. Poruszaj si« one ww-
czas w polu magnetycznym podobnie
jak pi¸eczki toczce si« po æciankach g¸«-
bokiej miski. Atomy o najwi«kszej ener-
gii uciekaj z tej magnetycznej misy
w trakcie ch¸odzenia przez odparowa-
nie, unoszc ze sob wi«cej energii, niý
ærednio by si« im naleýa¸o, a zatem pozo-
sta¸e atomy staj si« zimniejsze.
Proces ten przypomina stygni«cie ka-
wy. Najbardziej energetyczne czstecz-
ki wody wyskakuj z kubka (w postaci
pary), obniýajc w ten sposb æredni
å
WIAT
N
AUKI
Maj 1998
29
pu¸apki magnetycznej, znacznie g¸«b-
szej i w«ýszej. Ta pospiesznie skon-
struowana, wska i jednoczeænie g¸«bo-
ka pu¸apka okaza¸a si« ostatnim ogni-
wem niezb«dnym do och¸odzenia przez
odparowanie atomw rubidu i uzyska-
nia kondensacji. Pniej przekonaliæmy
si«, ýe konstrukcja naszej szczeglnej pu-
¸apki nie jest jedynym moýliwym roz-
wizaniem. Obecnie istnieje niemal tyle
rýnych pu¸apek, ile grup badajcych
kondensaty.
wierzcho¸ek odpowiada kondensatowi.
Jego atomy maj najmniejsz moýliw
pr«dkoæ, dlatego pozostaj g«sto sku-
pione w ærodku rozszerzajcej si« chmu-
ry. Nasze zdj«cie jest kolejnym dowo-
dem na to, ýe coæ z¸ego dzieje si«
z klasyczn mechanik. Kondensat two-
rzy si« w stanie o najniýszej moýliwej
energii. W mechanice klasycznej termin
ãnajniýsza energiaÓ oznacza, ýe atomy
spoczywaj nieruchomo w ærodku pu-
¸apki, co powinno przejawi si« w posta-
ci nieskoÄczenie wskiego i wysokiego
piku na wykresie. Obserwowany wierz-
cho¸ek rýni si« od tego klasycznego ob-
razka z powodu efektw kwantowych,
ktre da si« uj w trzech s¸owach: zasa-
da nieoznaczonoæci Heisenberga.
Zasada nieoznaczonoæci ogranicza
nasze moýliwoæci poznania czegokol-
wiek, takýe atomw. Im dok¸adniej zna-
my po¸oýenie atomu, tym mniej wiemy
o jego pr«dkoæci, i na odwrt. To dlate-
go wierzcho¸ek odpowiadajcy konden-
satowi nie jest nieskoÄczenie wski.
Gdyby by¸, wiedzielibyæmy, ýe atomy
znajduj si« dok¸adnie w ærodku pu¸ap-
ki i ich pr«dkoæ wynosi dok¸adnie ze-
ro. Zgodnie z zasad nieoznaczonoæci
nie moýemy zna obu tych parametrw
jednoczeænie.
Teoria Einsteina wymaga, aby skon-
densowane atomy mia¸y moýliwie naj-
niýsz energi«, podczas gdy zasada nie-
oznaczonoæci Heisenberga zabrania im
pozostawa na samym dnie pu¸apki.
Mechanika kwantowa rozwizuje ten
konflikt, postulujc, ýe energia atomu
znajdujcego si« w jakimkolwiek zbior-
niku, w tym w naszej pu¸apce, moýe
przyjmowa wartoæci naleýce do pew-
nego dyskretnego zbioru dozwolonych
wartoæci energii Ð najmniejsza z nich jest
nieco wi«ksza od zera. Ta najniýsza do-
zwolona energia zwana jest energi
drgaÄ zerowych, poniewaý nawet ato-
my, ktrych temperatura wynosi do-
k¸adnie zero, maj t« minimaln ener-
gi«. Atomy obdarzone tak energi
poruszaj si« powoli w pobliýu ærodka
pu¸apki, ale nigdy nie mog spocz
w jej ærodku. Zasada nieoznaczonoæci
oraz inne prawa mechaniki kwantowej
przejawiaj si« zazwyczaj jedynie w za-
chowaniu obiektw o rozmiarach mi-
kroskopowych, takich jak pojedyncze
atomy lub jeszcze mniejszych. Konden-
sacja BosegoÐEinsteina jest wi«c rzad-
kim przypadkiem pozwalajcym zaob-
serwowa zasad« nieoznaczonoæci
dzia¸ajc w æwiecie obiektw makro-
skopowych.
Migawkowa fotografia ãsuperatomuÓ
Jak moýemy si« przekona, ýe rzeczy-
wiæcie wytworzyliæmy kondensat Bose-
goÐEinsteina? W celu zaobserwowania
chmury och¸odzonych atomw robimy
migawkowe zdj«cie cienia rzucanego
przez oæwietlony b¸yskiem lasera kon-
densat. Poniewaý atomy w miar« och¸a-
dzania skupiaj si« w pobliýu dna ma-
gnetycznej misy, chmura jest zbyt ma¸a,
aby ¸atwo j by¸o dojrze. Powi«kszenie
jej wymaga wy¸czenia ograniczajcych
chmur« pl magnetycznych, co pozwala
atomom swobodnie ucieka we wszyst-
kich kierunkach. Oko¸o 0.1 s pniej
oæwietlamy t« rozszerzon chmur« b¸y-
skiem æwiat¸a laserowego. Atomy roz-
praszaj æwiat¸o na boki, rzucajc cieÄ,
ktry obserwujemy za pomoc kamery
wideo. Badajc ten cieÄ, moýemy wy-
znaczy pocztkowy rozk¸ad pr«dkoæci
chmury uwi«zionych atomw. Pomiar
pr«dkoæci pozwala rwnieý okreæli
temperatur« prbki.
Na wykresie rozk¸adu pr«dkoæci [
ilu-
stracja na ssiedniej stronie
] strzelisty
Granica precyzji
Kondensacja BosegoÐEinsteina jest
zjawiskiem tak nowym i tak rýnym od
dotd poznanych, ýe nie potrafimy prze-
widzie, czy zda si« na coæ wi«cej niý ja-
ko akademicki przyk¸ad do demon-
stracji praw mechaniki kwantowej.
Niemniej jednak moýemy snu przy-
puszczenia, opierajc si« na uderzajcej
analogii fizycznej: atomy tworzce kon-
densat Bosego pod wieloma wzgl«da-
mi przypominaj fotony w wizce æwia-
t¸a laserowego.
Wszystkie fotony w wizce laserowej
poruszaj si« dok¸adnie w tym samym
kierunku oraz maj tak sam cz«stotli-
TERMOMETR WIELKOåCI KONTYNENTU mierzcego 4100 km obrazuje, jak ni-
ska musi by temperatura, aby wytworzy kondensat. Termometr umieszczony tak,
ýe zero stopni na jego skali znajduje si« na Times Square w Nowym Jorku, a 300 K
w City Hall w Los Angeles, temperatur« pokojow wskaýe gdzieæ w okolicach San Ber-
nardino w Kalifornii, a punkt zamarzania powietrza odpowiada b«dzie miejscowo-
æci Terre Haute (Indiana). Temperatura niemal czystego kondensatu na skali tego
termometru jest odleg¸a zaledwie o 0.683 mm od punktu oznaczajcego zero.
50 nK:
TEMPERATURA
NIEMAL CZYSTEGO
KONDENSATU
0.7
0.683
0.6
400 nK:
PO RAZ PIERWSZY
WYTWORZONO BEC
W RUBIDZIE
0.5
mm
0.02 K:
NAJNIûSZA TEMPERATURA
CHüODZIARKI HELOWEJ
300 K
5.4
293 K:
TEMPERATURA
POKOJOWA
3 K:
TEMPERATURA W PRZESTRZENI
MI¢DZYGALAKTYCZNEJ
65
MILLIMETRY
4321 0
273 K:
ZAMARZA WODA
216 K:
BIEGUN
POüUDNIOWY
ZIM
77 K:
ZAMARZA
POWIETRZE
4 K:
SKRAPLA SI¢
H
E
L
BUDYNEK TIMES SQUARE
NA SKRZYûOWANIU
42 STREET I BROADWAY
W NOWYM JORKU
LOS ANGELES
SAN BERNARDINO
GRANICA
ARIZONY
I KALIFORNII
TAOS
(NOWY MEKSYK)
RARITAN
(NEW JERSEY)
PLAINFIELD
(NEW JERSEY)
SKRZYûOWANIE 41 STREET
I 8 AVENUE
30 å
WIAT
N
AUKI
Maj 1998
TERRE HAUTE
(INDIANA)
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

Cornell Eric A. Wieman Carl E. Kondensacja Bosego-Einsteina, świat nauki

Odnośniki