• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Polscy fizycy pomagają rozwikłać zagadki kwantowej optyki atomowej

    02.07.2010. 04:18
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Polscy naukowcy, pracujący w międzynarodowej grupie badawczej w paryskim Instytucie Optyki, pomagają rozwijać nową gałąź fizyki - kwantową optykę atomową. Bada ona niezwykłe zjawiska fizyczne, podczas których atomy zachowują się w sposób charakterystyczny dla światła - informuje rzecznik Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku (IPJ) dr Marek Pawłowski. W międzynarodowym doświadczeniu biorą udział: prof. Marek Trippenbach i dr Jan Chwedeńczuk - obaj z Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Warszawskiego, dr Piotr Deuar z Instytutu Fizyki PAN i dr Paweł Ziń z IPJ.

    Jak informuje dr Pawłowski, naukowcy prowadzą badania nad zderzeniami materii schłodzonej do egzotycznego stanu, zwanego kondensatem Bosego-Einsteina. Wyniki pomiarów wskazują, że w warunkach doświadczenia atomy helu ujawniają swą kwantową naturę i zachowują się bardzo podobnie jak światło.

    "W ramach grupy zajmujemy się budową modelu teoretycznego, tłumaczącego zjawiska zaobserwowane przez naszych francuskich kolegów podczas zderzeń atomów w kondensacie Bosego-Einsteina" - wyjaśnia dr Ziń. Gałąź fizyki zajmująca się takimi efektami jest znana jako kwantowa optyka atomowa.

    "W przyszłości kwantową optykę atomową będzie można wykorzystać m.in. przy badaniu słynnych nierówności Bella, służących do testowania najbardziej fundamentalnych kwantowych cech naszej rzeczywistości, takich jak lokalność oddziaływań czy wpływ procesu obserwacji na obserwowany obiekt" - informuje rzecznik IPJ.

    Jak wyjaśnia, dalekosiężnym celem doświadczeń ze zderzeniami kondensatów Bosego-Einsteina jest zbudowanie źródeł par pojedynczych atomów znajdujących się w dokładnie znanym stanie kwantowym. Źródła tego typu byłyby atomowymi odpowiednikami źródeł pojedynczych fotonów, które w ostatnich latach zrewolucjonizowały optykę kwantową. Nie tylko pozwoliły na badanie nowych zjawisk fizycznych, ale także znalazły zastosowanie w komercyjnie dostępnej kryptografii kwantowej, metodzie przesyłania danych, w której prawa fizyki gwarantują całkowitą poufność przekazu.

    Kondensat Bosego-Einsteina jest uważany czasem za odrębny stan skupienia materii (obok plazmy i trzech "zwykłych" stanów spotykanych w warunkach ziemskich).

    Fizyczną naturę kondensatu najłatwiej zrozumieć odwołując się do analogii ze światłem. "Światło zostało opisane po raz pierwszy za pomocą równań Maxwella, gdzie jest falą pola elektromagnetycznego. Dopiero później udało się odkryć, że można je traktować także jako zbiór cząstek - fotonów. W przypadku kondensatu Bosego-Einsteina mamy do czynienia z podobną sytuacją, ale odkrywaną w odwrotnej kolejności: okazało się, że w bardzo niskich temperaturach atomy gazu samoczynnie przechodzą do stanu, w którym można je opisać kolektywnie za pomocą pewnego pola, nazywanego ozonowym" - wyjaśnia dr Pawłowski.

    Jak zauważa, choć termin "kondensat" zazwyczaj kojarzy się z czymś gęstym, to w rzeczywistości kondensaty Bosego-Einsteina to chmurki gazów o gęstości milion razy mniejszej od powietrza. "W nazwie nie chodzi o kondensację materii, lecz o fakt, że wszystkie atomy +kondensują+ do tego samego stanu kwantowego, co oznacza, że każdy atom zachowuje się tak samo" - wyjaśnia dr Ziń.

    Międzynarodowa grupa naukowców, kierowana przez słynnego francuskiego fizyka Alaina Aspecta, zajmuje się w paryskim Instytucie Optyki badaniem zderzeń kondensatów Bosego-Einsteina. Kondensat wytwarza się tam z metastabilnego atomowego helu, schłodzonego do temperatury rzędu milionowej części kelwina. Metastabilność oznacza, że atom helu przebywa w stanie wzbudzonym o pewnej trwałości. Energia takiego stanu wzbudzonego jest wyższa niż najniższa dopuszczalna przez prawa fizyki energia stanu podstawowego.

    Jak opisuje dr Pawłowski, po utworzeniu w komorze próżniowej obłoku kondensatu o rozmiarach mikrometrowych, jest on uwalniany z pułapki magnetycznej, a jego dwa przeciwległe fragmenty zostają pchnięte ku sobie za pomocą impulsów światła laserowego. "Dochodzi do zderzeń, w których uczestniczą pary atomów. Atomy te są wytrącane z obłoku i po kilkuset milisekundach opadają na matrycę czujników - mikrokanałowych detektorów. Detektory rejestrują pojedyncze atomy z prawdopodobieństwem 10 proc." - wyjaśnia.

    Matryca detektorów wykonuje "zdjęcie" rozkładu atomów w danej chwili. Dzięki serii "zdjęć" fizycy potrafią odtworzyć przestrzenną strukturę zderzających się chmur i zobaczyć, dokąd trafiły atomy. W eksperymencie istotny jest fakt, że opadające atomy nadal mają świetnie określony stan kwantowy.

    "Obecnie badamy korelacje, jakie pojawiają się między atomami uczestniczącymi w zderzeniach. Zderzenia te wydają się zachodzić zgodnie z prawami fizyki klasycznej, lecz detektory pokazują, że uczestniczące w nich atomy trafiają w miejsca matrycy, w których ich obecność można wytłumaczyć wyłącznie za pomocą zjawisk kwantowych" - przedstawia istotę pomiarów dr Ziń.

    Jak zaznacza dyrektor IPJ prof. Grzegorz Wrochna, w badaniach podstawowych naukowcy nie oczekują, że wiedzę dziś uzyskaną uda się szybko zastosować. "Nie mamy jednak wątpliwości że wiedze tę wykorzystają z wielkim pożytkiem nasze dzieci i wnuki, tak jak my dziś w tysiącach urządzeń wykorzystujemy efekty pracy naszych poprzedników - wykorzystujemy w sposób, o którym im kilkadziesiąt lat temu nawet się nie śniło" - dodaje. EKR

    PAP - Nauka w Polsce

    agt/bsz


    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Ultrazimne atomy – termin używany do opisania gazu atomów o temperaturach bliskich 0 kelwina (zera bezwzględnego). Za graniczną temperaturę poniżej, której układ nazywamy ultrazimnym przyjmuje się 1 mK, podczas gdy zimnym nazywamy gaz, którego temperatura jest mniejsza niż 1 K. Temperatury otrzymywanych powszechnie w laboratoriach ultrazimnych gazów atomów mieszczą się pomiędzy 1 μK a 1 nK (1 × 10 – 1 × 10 K), przy czym udało się również otrzymać gazy o temperaturach poniżej 500 pK (500 × 10K). W tak niskich temperaturach klasyczny opis gazów zawodzi, ponieważ zjawiska kwantowe zaczynają odgrywać dominującą rolę, a co za tym idzie, do poprawnego opisu badanych układów należy używać mechaniki kwantowej. Kwantowa natura w reżimie ultraniskich temperatur przejawia się m.in. występowaniem kondensacji Bosego-Einsteina w przypadku atomów bozonowych lub zdegenerowanych gazów Fermiego, kiedy atomy są fermionami. Gazy ultrazimnych atomów znalazły też zastosowania w optyce nieliniowej, dokładnych pomiarach kwantowych właściwości pojedynczych atomów, inżynierii stanów kwantowych, precyzyjnej spektroskopii i zegarach atomowych. Carl Edwin Wieman (ur. 26 marca 1951 w Corvallis, Oregon) – amerykański fizyk, laureat Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w roku 2001 za otrzymanie nowego stanu materii, tzw. kondensatu Bosego-Einsteina, a także za pierwsze badania jego własności. Kondensacja Bosego-Einsteina – efekt kwantowy zachodzący w układach podległych rozkładowi Bosego-Einsteina. Piąty stan skupienia. W temperaturach niższych od temperatury krytycznej część cząstek (bozonów) przechodzi w zerowy stan pędowy – cząstki te mają identyczny pęd. Oznacza to, że w zerowej objętości przestrzeni pędów może znajdować się niezerowa liczba cząstek. Mówimy wtedy o makroskopowym obsadzeniu stanu podstawowego. Efektem kondensacji jest kolektywne zachowanie wszystkich cząstek biorących w niej udział (w przybliżeniu wszystkie zachowują się jak jedna cząstka). Należy podkreślić, że nie chodzi tu o kondensację w zwykłym sensie w przestrzeni położeniowej – cząstki nie znajdują się w jednym miejscu, lecz o "kondensację" cząstek w przestrzeni pędów – znaczna liczba cząstek ma taki sam pęd. Rozkład przestrzenny cząstek "skondensowanych" pozostaje równomierny (jeśli nie ma pól zewnętrznych). W kondensacie Bosego-Einsteina zachodzi zjawisko nadciekłości. Kondensat opisywany jest w przybliżeniu nieliniowym równaniem Grossa-Pitajewskiego. Równanie to posiada rozwiązania solitonowe, o wielkim znaczeniu eksperymentalnym. Występują zarówno "jasne" jak i "ciemne" rozwiązania solitonowe. Przybliżenie można polepszyć stosując rachunek zaburzeń – teorię Bogoliubowa.

    Eric Allin Cornell (ur. 19 grudnia 1961 w Palo Alto, Kalifornii) – amerykański fizyk, laureat Nagrody Nobla w roku 2001, który wraz z Carlem Wiemanem otrzymał nowy stan materii, tzw. kondensat Bosego-Einsteina oraz prowadził badania nad jego własnościami. Równanie Grossa-Pitajewskiego jest nieliniowym równaniem modelowym na funkcję falową kondensatu Bosego-Einsteina. Ma formę podobną do równania Ginzburga-Landaua.

    Statystyka Bosego-Einsteina – statystyka dotycząca bozonów traktowanych jako gaz bozonowy, cząstek o spinie całkowitym, których nie obowiązuje zakaz Pauliego. Zgodnie z rozkładem Bosego-Einsteina średnia liczba cząstek w danym stanie kwantowym jest równa Fale Tkaczenki – fale obserwowane w cieczach w stanie nadciekłości i, ogólniej, w kondensatach Bosego-Einsteina, polegające na poprzecznych drganiach linii wirów w ośrodku.

    Sir Anthony James Leggett (ur. 26 marca 1938 w Londynie) – brytyjski fizyk zajmujący się fizyką niskich temperatur. Jego badania dotyczyły sposobów na eksperymentalne udowodnienie kwantowych własności systemów fizycznych, czyli teorii kondesatu Bosego-Einsteina oraz wysokotemperaturowego nadprzewodnictwa. Bozon Z (zeton) – cząstka elementarna pośrednicząca w oddziaływaniach słabych, wymieniana przez np. elektrony czy neutrina i inne cząstki oddziałujące poprzez oddziaływanie słabe podczas zderzeń. Jest obojętny elektrycznie, jako bozon podlega statystyce Bosego-Einsteina. Jego istnienie przewidziała teoria oddziaływań słabych. Bozon Z jest równocześnie swoją antycząstką. Okres półtrwania wynosi 3,20×10 sekundy.

    Nadpromienista przemiania fazowa (ang. Superradiant phase transition) – w mechanice kwantowej podobna do nadprzewodnictwa i ferromagnetyzmu przemiana fazowa w układzie składającym sie z materii i kwantowego pola elektromagnetycznego, polegająca na tym, że układ przechodzi do uporządkowanego stanu nadpromienistego w którym w stanie podstawowym w odróżnieniu od normalnej próżni elektromagnetycznej istnieje znaczna gęstość uwięzionych wśród materii fotonów, a atomy pozostają na stałe w stanach silnie wzbudzonych. Oryginalnie została przewidziana w tzw. modelu Dicke w którym zakłada się, że atomy posiadają jedynie dwa poziomy energetyczne i oddziałują one z jednym modem kwantowego pola elektromagnetycznego . Przemiana ta zachodzi, kiedy siła oddziaływania atomów z polem elektromagnetycznym jest większa niż energia części nieoddziałującej układu, co podobnie jak w przypadku nadprzewodnictwa i ferromagnetyzmu prowadzi do efektywnych oddziaływań dynamicznych pomiędzy atomami typu ferromagnetycznego i spontanicznego pojawienia się uporządkowania wzbudzeń poniżej temperatury krytycznej. Znaczy to, że kolektywne przesunięcie Lamba w układzie oddziałujących z fluktuacjami próżni atomów staje się porównywalne z energiami samych atomów, a fluktuacje próżni powodują spontaniczne samowzbudzenie materii. Przemiana ta może być łatwo zrozumiana stosując transformacje Holsteina-Primakoffa do atomów dwupoziomowych. W wyniku tej transformacji atomy stają się oscylatorami harmonicznymi o częstości równej różnicy poziomów, a cały układ układem oddziałujących oscylatorów harmonicznych atomów i pola, czyli dielektrykiem Hopfielda przewidującym w stanie normalnym polarony dla fotonów, czyli polarytony. Jeśli teraz oddziaływanie z polem elektromagnetycznym jest tak silne, że układ zapada się i pojawiają się częstości urojone wtedy układ fizyczny ze stabilizującymi członami wyższych rzędów będzie podlegał podobnej do ferroelektrycznej przemianie fazowej. W modelu tym układ matematycznie równoważny jest dla jednego modu wzbudzeń paczce trojańskiej kiedy to natężenie pola elektromagnetycznego spolaryzowanego kołowo odpowiada stałej sprzęzenia elektromagnetycznego i powyżej jej wartości krytycznej przechodzi do ruchu niestabilnego (jonizacji).

    Pompowanie optyczne - wzbudzanie atomów metodami optycznymi do określonego stanu, co osiąga się dobierając odpowiednio warunki wzbudzenia (oświetlenie, polaryzacja). Jeśli wskutek absorpcji światła liczba atomów osiągających dany stan w jednostce czasu jest większa od odwrotności średniego czasu życia (tj. całkowita liczba atomów w danym stanie) rośnie. Dzięki zastosowaniu pola magnetycznego i spolaryzowanego światła wzbudzającego można za pomocą pompowania optycznego uzyskać częściowe uporządkowanie (tj. ustawienie równoległe) wektorów atomowych momentów magnetycznych. Czyni to metodę pompowania optycznego cennym narzędziem w badaniach fizyki atomowej i jądrowej. Zwiększenie obsadzenia wybranego stanu drogą pompowania optycznego jest podstawą działania lasera. Metodę pompowania optycznego zaproponował fizyk francuski Alfred Kastler; dostał za to w 1966 roku nagrodę Nobla.

    Fizyka chemiczna – dział fizyki, który zajmuje się badaniem fizycznych aspektów zjawisk chemicznych. Tradycyjnie do fizyki chemicznej zalicza się spektroskopię, niektóre aspekty mechaniki kwantowej oraz elementy fizyki ciała stałego i fizyki roztworów. W zasadzie całość zagadnień fizyki chemicznej jest zawarta w chemii fizycznej i podział zagadnień na fizykę chemiczną i chemię fizyczną jest bardzo umowny. Praktycznie biorąc z fizyką chemiczną ma się do czynienia wtedy gdy fizycy zajmują się chemią, zaś z chemią fizyczną wtedy gdy chemicy adaptują techniki i teorie fizyczne do swoich celów. Enion lub anyon (z ang.) – hipotetyczna cząstka, która nie jest bozonem ani fermionem, czyli podlega statystyce innej niż statystyka Bosego-Einsteina i statystyka Fermiego-Diraca.

    Dodano: 02.07.2010. 04:18  


    Najnowsze