Portal środowiska akademickiego i naukowego

2 lipca 2010

Kwantowa optyka atomowa

Atomy jak światło

W Instytucie Optyki w Paryżu badania nad zderzeniami materii schłodzonej do egzotycznego stanu zwanego kondensatem Bosego-Einsteina prowadzi międzynarodowa grupa badawcza, w której pracach uczestniczą polscy fizycy. Wyniki pomiarów wskazują, że w warunkach doświadczenia atomy helu ujawniają swą kwantową naturę i zachowują się bardzo podobnie jak światło. Gałąź fizyki zajmująca się takimi efektami jest znana jako kwantowa optyka atomowa. W doświadczeniu biorą udział prof. dr hab. Marek Trippenbach i dr Jan Chwedeńczuk z Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Warszawskiego, dr Piotr Deuar z Instytutu Fizyki PAN i dr Paweł Ziń z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku.

Kodensat Bosego-Einsteina uważany jest czasem za odrębny stan skupienia materii (obok plazmy i trzech „zwykłych” stanów spotykanych w warunkach ziemskich). Jego istnienie przewidzieli na drodze teoretycznej fizycy Satyendra Nath Bose i Albert Einstein już w 1924 roku. W laboratorium udało się go wytworzyć dopiero w 1995 roku, gdy uczeni z University of Colorado w Boulder laserowo schłodzili atomy gazowego rubidu do temperatury 170 nanokelwinów (miliardowych części kelwina). W Polsce podobny kondensat wyprodukowano w 2007 roku w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej w Toruniu.

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 bozonowym.

Termin „kondensat” zazwyczaj kojarzy się z czymś gęstym. W rzeczywistości kondensaty Bosego-Einsteina to chmurki gazów o gęstości milion razy mniejszej od powietrza.

W paryskim Instytucie Optyki, pod kierunkiem słynnego francuskiego fizyka Alaina Aspecta, kondensat wytwarza się 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. 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. Są one wytrącane z obłoku i po kilkuset milisekundach opadają na matrycę czujników – mikrokanałowych detektorów. Detektory rejestrują pojedyncze atomy z prawdopodobieństwem 10 proc.

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.

Świat obiektów kwantowych składa się z dwóch rodzin opisywanych innymi prawami statystycznymi: bozonów i fermionów. Fermiony (np. elektrony) znajdujące się w tym samym stanie kwantowych starają się zachować swą indywidualność. Bozony (do których należą m.in. fotony oraz badane w paryskim eksperymencie atomy helu) wykazują tendencję do tworzenia grup o tym samym stanie kwantowym. Ku zaskoczeniu fizyków, w 1956 roku dwóch astronomów, Robert Hanbury Brown i Richard Q. Twiss, zaobserwowało, że fotony emitowane w sposób chaotyczny przez źródła termiczne (takie jak lampa sodowa czy gwiazda) docierają do detektorów nie jednorodnym strumieniem, lecz w grupach. Zjawisko to, nazywane efektem HBT (Hanbury Brown and Twiss), występuje nie tylko w przypadku fotonów, ale również dla innych bozonów. Ponieważ są nimi metastabilne atomy helu, właśnie ten efekt jest obserwowany podczas zderzeń zachodzących w kondensacie 
Bosego-Einsteina.

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. W przyszłości kwantową optykę atomową będzie można również wykorzystać 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.

– Jak zwykle w badaniach podstawowych nie oczekujemy, że wiedzę dziś uzyskaną uda się szybko zastosować – komentuje dyrektor Instytutu Problemów Jądrowych prof. Grzegorz Wrochna. – 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.