Pułapka ze światła

Nagrodę Nobla z fizyki w 1997 roku otrzymali trzej uczeni: Steven Chu z Uniwersytetu Stanforda w Kalifornii, Claude Cohen-Tannoudji z Ecole Normale Supérieure i Collége de France w Paryżu oraz William D. Phillips z Laboratorium National Institute for Standards and Technology (NIST) w Waszyngtonie, za rozwój metod chłodzenia i pułapkowania atomów przy pomocy światła laserowego.

W pracowni fizyki laserowej Instytutu Fizyki

Lasery tak dalece kojarzą się każdemu z bardzo intensywnymi wiązkami świetlnymi, mogącymi topić, przepalać, jonizować obiekty materialne (wojny gwiezdne!), że ich zastosowanie do chłodzenia wydaje się niemożliwe. A jednak! Przy oddziaływaniu wiązek świetlnych z materią ważny jest bowiem nie tylko przekaz energii między fotonami cząstkami światła a atomami, ale także i przekaz pędu, wywołujący tak zwane ciśnienie światła. (Znanym skutkiem ciśnienia światła słonecznego są kształty warkoczy komet i ich odwracanie się w kierunku przeciwnym do Słońca). Wprawdzie pęd fotonu optycznego jest bardzo niewielki w stosunku do pędu pojedynczych atomów, których typowe prędkości w temperaturze pokojowej wynoszą 300-1000 km/s, ale wiązki laserowe są bardzo intensywne, co oznacza, że zawierają ogromne liczby fotonów. Dzięki temu, gdy ruchomy atom podlega zderzeniom z licznymi fotonami, wypadkowy przekaz pędu może być duży. W ten sposób wiązki świetlne, czyli strumienie fotonów, wywierają znaczne siły na atomy. Siły te mogą albo przyspieszać, albo spowalniać ruchome atomy. O ile jednak akceleratory laserowe są wciąż jedynie koncepcją teoretyczną, o tyle spowalnianie za pomocą wiązek laserowych pozwala na osiągnięcie rekordowo małych prędkości atomowych i tym samym najniższych we Wszechświecie temperatur - poniżej 0,1 mikrokelwina, czyli mniej niż jedną milionową część stopnia powyżej zera w bezwzględnej skali Kelvina.

Ochłodzenie gazu atomowego metodami optycznymi odbywa się przez oświetlenie go wzdłuż trzech prostopadłych kierunków przez trzy pary przeciwnie skierowanych i przecinających się w jednym miejscu wiązek laserowych, które wywierają ciśnienie światła do miejsca przecięcia się wiązek laserowych. Ruch poszczególnych atomów w każdym z kierunków jest spowalniany, a gaz atomowy zagęszcza się w rejonie, gdzie wiązki się zbiegają. Okazuje się, że ruch atomów pod wpływem sił optycznych jest tak samo hamowany, jak ruch ciał w gęstej, lepkiej cieczy - dlatego taki układ nazwano melasą optyczną. Jeden z tegorocznych laureatów nagrody Nobla - Steven Chu - był pierwszym fizykiem, który wyprodukował melasę optyczną w swoim laboratorium na Uniwersytecie Stanforda w Palo Alto.

Atomy w melasie poruszają się wprawdzie bardzo wolno, ale nie są zlokalizowane w jakimkolwiek miejscu. Mogą one powoli dyfundować wewnątrz melasy, podobnie jak pyłki kurzu w powietrzu. Prędkości atomów w melasie są rzędu 1 km/godz., tzn. ok. 30 m/s, co może wydawać się wciąż niemałą wartością, ale pamiętajmy, że przed chłodzeniem miały one prędkości dziesięć tysięcy razy większe. Przy tak małych prędkościach ruch atomów staje się silnie zaburzony przez siłę grawitacji, której wpływ na atomy poruszające się bardzo szybko w "normalnych" temperaturach jest niedostrzegalny.

Okazuje się jednak, że istnieje możliwość zlokalizowania takich zimnych atomów. Pojawia się ona, jeśli melasę optyczną umieścimy w niezbyt silnym (niewiele silniejszym od pola ziemskiego) polu magnetycznym, tak ukształtowanym przez odpowiednie cewki, że na atomy znajdujące się w centrum układu nie działa żadna siła, podczas gdy atomy próbujące opuścić centrum melasy są zawracane z powrotem. W ten sposób powstaje tzw. pułapka magnetooptyczna, w której można pułapkować neutralne atomy. Można powiedzieć, że fizycy lubią pułapki. W 1989 roku za opracowanie elektrostatycznych pułapek na jony (czyli takie atomy, które posiadają pewien wypadkowy ładunek elektryczny, dzięki czemu można na nie działać zewnętrznymi polami elektrycznymi i magnetycznymi) przyznano nagrodę Nobla Hansowi Dehmeltowi i Wolfgangowi Paulowi. Oczywiście, zarówno opisane powyżej atomowe pułapki magnetooptyczne, jak i wcześniejsze jonowe nie mają materialnych ścian. Ich rolę pełnią magnetyczne i elektromagnetyczne pola światła laserowego.

Pułapki z wiązek światła umożliwiają badania prawie nieruchomych atomów utrzymywanych siłami optycznymi w określonym miejscu w przestrzeni. Dlaczego jest to takie interesujące dla fizyków? Otóż, chcą oni możliwie dokładnie określać własności badanych obiektów, np. atomów, po to by sprawdzić, czy zgadzają się one z wynikami teoretycznych przewidywań opartych na pewnym założonym modelu budowy materii i sił rządzących jej składnikami. Im dokładniej możemy sprawdzać prawdziwość naszych modeli, tym lepiej rozumiemy prawa rządzące przyrodą. Żaden pomiar fizyczny nie jest jednak doskonały. W szczególności, dokładność pomiarów własności atomowych jest ograniczona przez fakt, że badane atomy są w ustawicznym ruchu. Nie możemy ich więc dowolnie dokładnie (czyli dowolnie długo) badać, bowiem po jakimś czasie uciekną z obszaru obserwacji (można to porównać z trudnością obliczenia liczby latających ptaków, podczas gdy przeliczenie ich nieruchomej gromady nie jest żadnym problemem). Unieruchomienie atomów lub znaczne ograniczenie ich prędkości jest równoznaczne z ich ochłodzeniem (chodzi tu o tzw. swobodne atomy w fazie gazowej, a nie o takie, które poprzez związanie np. w strukturze kryształu nabrały innych własności).

Aparatura z pracowni spektroskopii laserowej

Po opanowaniu metody ochładzania gazów atomowych pojawiła się konieczność pomiaru ich temperatury. Nie jest to wcale łatwe, znane dotąd termometry są bezużyteczne w bardzo bliskiej okolicy zera bezwzględnego. Problem ten rozwiązał William Phillips. Pokazał on, że można to zrobić mierząc prędkości, z jakimi atomy pierzchają we wszystkich kierunkach, gdy ściskające je i pułapkujące wiązki świetlne zostaną wyłączone.

Największy wkład trzeciego laureata tegorocznej nagrody - C. Cohena-Tannoudjiego do fizyki zimnych atomów polega na teoretycznej analizie mechanizmów chłodzenia. Wykorzystał on do tego swoją kwantową teorię oddziaływania atomów z polem elektromagnetycznym, którą systematycznie rozwija od 1961 roku, kiedy obronił pracę doktorską w Ecole Normale Supérieure. Teoria ta, to tzw. model 'atomu ubranego', w którym atom wraz z fotonami pola świetlnego jest traktowany jako jeden układ fizyczny (atom ubrany przez fotony). Model ten był od dawna z wielkim powodzeniem stosowany do interpretacji licznych doświadczeń, w których badano, jak atomy oddziałują z falami elektromagnetycznymi. Szczególnie wygodny okazał się on, gdy tymi falami były fale świetlne, zwłaszcza pochodzące z silnych, laserowych źródeł.

Obecni laureaci od dawna należeli do czołówki fizyków stosujących lasery i inne metody optyczne w fizyce atomowej. S. Chu, zanim zajął się zimnymi atomami, zdobył sławę znakomitego eksperymentatora, badając w 1982 roku (wspólnie z A.P. Millsem w Bell Labs.) widmo niezwykle ciekawego, jednego z tzw. 'egzotycznych atomów', atomu pozytronium (jest to atom podobny do wodoru, ale mający zamiast protonu pozyton - dodatni elektron). Później został profesorem w Uniwersytecie Stanforda i współpracownikiem wcześniejszego noblisty Artura Schawlowa (Nobel w 1981 r. za rozwój spektroskopii laserowej). Podobnie Claude Cohen-Tannoudji to wychowanek Jeana Brossela i Alfreda Kastlera (A. Kastler otrzymał nagrodę Nobla w 1966 roku za pompowanie optyczne). W.D. Phillips z kolei jest filarem NIST - jednego z najważniejszych i najbardziej prestiżowych rządowych laboratoriów amerykańskich.

Zawsze w przypadku wielkiego odkrycia naukowego pojawiają się pytania o ich znaczenie i możliwości praktycznych zastosowań. Znaczenie tegorocznej nagrody polega na możliwości badania atomów w zupełnie niezwykłych warunkach ekstremalnie niskich temperatur, nie występujących w naturalny sposób nigdzie w przyrodzie. Pułapki magnetooptyczne stały się już standardowym urządzeniem badawczym. Pozwalają one na uzyskanie bardzo zimnych, gęstych (ok. 1011-1012 atomów/cm3) chmur złożonych z ok. 100 milionów atomów. Umożliwiło to obserwację nowych zjawisk fizycznych oraz sprawdzanie nieweryfikowalnych dotychczas przewidywań teoretycznych. Dobrym przykładem jest tu wspaniałe osiągnięcie sprzed dwu i pół roku, kiedy to niemal równocześnie w trzech laboratoriach amerykańskich osiągnięto tzw. kondensację Bosego-Einsteina swobodnych atomów ochłodzonych w podobny sposób do opisanego powyżej. (Kondensacja ta została teoretycznie przewidziana w 1924 roku przez Hindusa Satyendrę Natha Bosego i Alberta Einsteina i dotąd nie była w równie przekonujący sposób obserwowana). Wydaje się, że autorzy doświadczalnej realizacji idei kondensacji mają również bardzo dużą szansę na nagrodę Nobla. Dzięki chłodzeniu laserowemu rozwinęła się też interferometria i optyka fal materii.

Nie jest łatwo precyzyjnie odpowiedzieć na pytanie o praktyczne zastosowania obecnego odkrycia. Nie oznacza to, że takich zastosowań nie będzie. Niemal wszystkie odkrycia w dziedzinie badań podstawowych prędzej czy później znajdują zastosowania praktyczne. Sami laureaci wymieniają jako jedno z takich zastosowań możliwość budowy niezwykle dokładnych zegarów atomowych na uwięzionych, niemal nieruchomych atomach. Jak podkreślono powyżej, gdy atomy są nieruchome, można bardzo dokładnie zmierzyć ich własności, np. częstość drgań i wykorzystać tę informacje jako wzorzec czasu. W dalszej, ale realnej perspektywie jest także konstrukcja miniaturowych chłodziarek optycznych, pozwalających na uzyskanie temperatur rzędu -200 stopni Celsiusa czyli ok. 70 stopni Kelvina. Byłoby to bardzo atrakcyjne dla budowy nowych procesorów i komputerów, które przy szybkich obliczeniach bardzo się grzeją i wymagają wydajnego chłodzenia.

W Polsce już niedługo także będziemy dysponować pułapką magnetooptyczną. Dobiega bowiem końca jej budowa w naszym zespole w Instytucie Fizyki UJ. Pułapkę tę budujemy, korzystając poprzez różne granty ze środków KBN oraz Unii Europejskiej. Zanim mogliśmy rozpocząć prace nad własną pułapką, mogliśmy prowadzić badania z takimi urządzeniami w innych laboratoriach: w Heidelbergu, a także w laboratorium, w którym pracuje Cohen-Tannoudji - w Ecole Normale Supérieure w Paryżu. Mamy nadzieję, że dzięki tym doświadczeniom zagranicznym, po uruchomieniu pułapki, będziemy mogli szybko przystąpić do badań nowych interesujących zagadnień. Jednym z naszych najbliższych celów jest badanie kolektywnego zachowania się zimnych atomów rubidu zaburzanych przez pola świetlne. Chcemy się dowiedzieć, w jaki sposób poszczególne atomy "uzgadniają" ze swymi sąsiadami swoje wypadkowe zachowanie i reakcje na fale świetlne.