Fyzici z MIT pořídili první snímky volně interagujících atomů

Fyzici z MIT pořídili první snímky jednotlivých atomů volně interagujících v prostoru. Snímky odhalují korelace mezi těmito „volně se pohybujícími“ částicemi, které byly doposud pouze předpovězeny, ale nikdy přímo pozorovány. Jejich zjištění, publikované v časopise Physical Review Letters, pomohou vědcům vizualizovat dosud neviděné kvantové jevy v reálném prostoru.

Snímky byly pořízeny pomocí techniky vyvinuté týmem, která nejprve umožňuje mraku atomů volně se pohybovat a interagovat. Poté výzkumníci zapnou mřížku světla, která na krátkou dobu „zmrazí“ atomy na jejich drahách, a použijí jemně naladěné lasery k rychlému osvětlení suspendovaných atomů, čímž vytvoří obrázek jejich polohy předtím, než se atomy přirozeně rozptýlí.

Fyzikové aplikovali tuto techniku k vizualizaci mraků různých typů atomů a pořídili řadu prvopočátečních snímků. Výzkumníci přímo pozorovali atomy známé jako „bosony“, které se v kvantovém jevu shlukují a tvoří vlnu. Zachytili také atomy známé jako „fermiony“ při párování ve volném prostoru – klíčový mechanismus, který umožňuje supravodivost.

„Dokážeme vidět jednotlivé atomy v těchto zajímavých mracích atomů a co dělají ve vztahu k sobě navzájem, což je úžasné,“ říká Martin Zwierlein, profesor fyziky na MIT.

Ve stejném čísle časopisu publikují dvě další skupiny výsledky s využitím podobných zobrazovacích technik, včetně týmu vedeného nositelem Nobelovy ceny Wolfgangem Ketterlem, profesorem fyziky na MIT. Ketterlova skupina vizualizovala zvýšené párové korelace mezi bosony, zatímco druhá skupina z École Normale Supérieure v Paříži vedená Tarikem Yefsahem zobrazovala mrak neinteragujících fermionů.

Studie Zwierleina a jeho kolegů je spoluautorem absolventů MIT Ruixiao Yao, Sungjae Chi a Mingxuan Wang a asistentem profesora fyziky na MIT Richardem Fletcherem.

Uvnitř mraku

Jeden atom má průměr přibližně jednu desetinu nanometru, což je jedna miliontina tloušťky lidského vlasu. Na rozdíl od vlasů se atomy chovají a interagují podle pravidel kvantové mechaniky; je to jejich kvantová povaha, která činí atomy těžko pochopitelnými. Například nemůžeme současně přesně vědět, kde se atom nachází a jak rychle se pohybuje.

Vědci mohou k zobrazení jednotlivých atomů používat různé metody, včetně absorpční zobrazovací techniky, kde laserové světlo svítí na mrak atomů a vrhá jeho stín na obrazovku fotoaparátu.

„Tyto techniky vám umožňují vidět celkový tvar a strukturu mraku atomů, ale ne samotné jednotlivé atomy,“ poznamenává Zwierlein. „Je to jako vidět mrak na obloze, ale ne jednotlivé molekuly vody, které mrak tvoří.“

On a jeho kolegové zvolili zcela odlišný přístup, aby přímo zobrazovali atomy interagující ve volném prostoru. Jejich technika, zvaná „atomově rozlišená mikroskopie“, zahrnuje nejprve seskupení mraku atomů do volné pasti vytvořené laserovým paprskem. Tato past drží atomy na jednom místě, kde mohou volně interagovat. Výzkumníci poté zapnou mřížku světla, která zmrazí atomy v jejich polohách. Pak druhý laser osvětluje suspendované atomy, jejichž fluorescence odhaluje jejich individuální polohy.

„Nejtěžší částí bylo shromáždit světlo z atomů bez jejich odpaření z optické mřížky,“ říká Zwierlein. „Můžete si představit, že kdybyste na tyto atomy namířili plamenomet, nelíbilo by se jim to. Takže jsme se v průběhu let naučili několik triků, jak to udělat. A je to poprvé, co to děláme in situ, kde můžeme náhle zmrazit pohyb atomů, když silně interagují, a vidět je jeden po druhém. To je to, co dělá tuto techniku výkonnější než to, co bylo děláno předtím.“

Shluky a páry

Tým aplikoval zobrazovací techniku k přímému pozorování interakcí mezi bosony a fermiony. Foton je příkladem bosonu, zatímco elektrony jsou typem fermionu. Atomy mohou být bosony nebo fermiony v závislosti na jejich celkovém spinu, který je určen tím, zda je celkový počet jejich protonů, neutronů a elektronů sudý nebo lichý. Obecně platí, že bosony se přitahují, zatímco fermiony se odpuzují.

Zwierlein a jeho kolegové nejprve zobrazili mrak bosonů tvořených atomy sodíku. Při nízkých teplotách tvoří mrak bosonů tzv. Bose-Einsteinův kondenzát – stav hmoty, kde všechny bosony sdílejí jeden a tentýž kvantový stav. Ketterle z MIT byl jedním z prvních, kdo vytvořil Bose-Einsteinův kondenzát atomů sodíku, za což sdílel Nobelovu cenu za fyziku v roce 2001.

Zwierleinova skupina nyní dokáže zobrazit jednotlivé atomy sodíku uvnitř mraku a pozorovat jejich kvantové interakce. Dlouho se předpokládalo, že by se bosony měly „shlukovat“ a měly by zvýšenou pravděpodobnost, že budou blízko sebe. Toto shlukování je přímým důsledkem jejich schopnosti sdílet jednu a tutéž kvantově mechanickou vlnu. Tato vlnová povaha byla poprvé předpovězena fyzikem Louisem de Brogliem. Je to hypotéza „de Broglieovy vlny“, která částečně podnítila začátek moderní kvantové mechaniky.

„O světě rozumíme mnohem víc díky této vlnové povaze,“ říká Zwierlein. „Ale je opravdu těžké pozorovat tyto kvantové vlnové efekty. V našem novém mikroskopu však můžeme tuto vlnu přímo vizualizovat.“

Ve svých zobrazovacích experimentech byl tým MIT schopen poprvé in situ pozorovat, jak se bosony shlukují, když sdílely jednu kvantovou, korelovanou de Broglieovu vlnu. Tým také zobrazil mrak dvou typů atomů lithia. Každý typ atomu je fermion, který se přirozeně odpuzuje od svého vlastního druhu, ale může silně interagovat s jinými konkrétními typy fermionů. Při zobrazování mraku výzkumníci pozorovali, že opačné typy fermionů skutečně interagují a tvoří fermionové páry – vazbu, kterou mohli poprvé přímo vidět.

„Tento typ párování je základem matematické konstrukce, kterou lidé vymysleli k vysvětlení experimentů. Ale když uvidíte obrázky jako tyto, ukazuje to na fotografii objekt, který byl objeven v matematickém světě,“ říká spoluautor studie Richard Fletcher. „Je to tedy velmi pěkná připomínka, že fyzika je o fyzických věcech. Je to skutečné.“

V budoucnu bude tým aplikovat svou zobrazovací techniku k vizualizaci exotických a méně známých jevů, jako je „kvantová Hallova fyzika“ – situace, kdy interagující elektrony vykazují nové korelované chování za přítomnosti magnetického pole.

„To je místo, kde se teorie stává opravdu složitou – kde lidé začínají kreslit obrázky místo toho, aby dokázali napsat plnohodnotnou teorii, protože ji nedokážou plně vyřešit,“ říká Zwierlein. „Teď můžeme ověřit, zda jsou tyto karikatury kvantových Hallových stavů skutečně reálné. Protože jsou to docela bizarní stavy.“

Tato práce byla částečně podpořena Národní vědeckou nadací prostřednictvím Centra pro ultrachladné atomy MIT-Harvard, jakož i Úřadem pro vědecký výzkum letectva, Úřadem pro armádní výzkum, Ministerstvem energetiky, Agenturou pro pokročilé obranné výzkumné projekty, stipendiem Vannevara Bushe a nadací Davida a Lucile Packardových.