Srážka jednotlivých atomů vede ke dvojnásobné změně hybnosti.

Profesor Widera (vpravo) a Felix Schmidt zkoumají kvantové systémy. (Foto: Koziel/TUK)

Dank nové techniky je možné zachytit jednotlivé atomy, cíleně je pohybovat nebo měnit jejich stav. S tímto pracují i fyzikové z Kaiserslauternu. V aktuální studii zkoumali důsledky srážky dvou atomů v slabém magnetickém poli při nízké teplotě. Poprvé pozorovali, že atomy, které nesou svůj moment hybnosti v podstatě v jednotlivých paketech (kvantech), při tom vyměňují dva takové pakety. Ukázalo se také, že lze řídit sílu vzájemné interakce mezi atomy. To je zajímavé například pro studium chemických reakcí. Tento článek byl publikován v odborném časopise Physical Review Letters.

Ještě před několika desetiletími bylo pro svět fyziky nepředstavitelné provádět experimenty s jednotlivými atomárními částicemi. Erwin Schrödinger, jeden z otců moderní kvantové teorie, očekával od této myšlenky „strašné důsledky“ a označoval ji za stejně pravděpodobnou jako to, že v zoologické zahradě vytáhne Ichtiosaurus-dinosaur. Nicméně pokroky v laserové technice a atomové fyzice dnes umožňují experimenty s jednotlivými atomy.

Také na Technické univerzitě Kaiserslautern (TUK) se fyzikové pod vedením profesora Artura Widera a jeho doktora Felixe Schmidta zabývají touto problematikou v rámci výukové oblasti Individual Quantum Systems. Používají přitom tzv. Bose-Einsteinův kondenzát, který sestává z atomů rubidia. „V fyzice označuje tento stav hmoty, který je srovnatelný s kapalnými a plynnými stavy. Nicméně takový kondenzát je dokonalý kvantověmechanický stav, který se chová jako vlna,“ říká profesor Widera. Tento kondenzát je srovnatelný s plynem složeným z velmi mála atomů.

V aktuální studii společně s profesorem Eberhardem Tiemannem z Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover zkoumali, jaké efekty nastávají, když se setkají jednotlivé atomy cesia s atomem rubidia. Aby mohli částice pozorovat, musí je vědci nejprve ochladit na teploty těsně nad absolutní nulou. „Poté jsme atomy pomocí optické pinzety přivedli do kontaktu,“ říká Felix Schmidt. Při tom jsou atomy zachycovány laserovými paprsky. Vědci nyní vložili jeden atom cesia do plynu rubidia, aby mohli měřit, co se stane před a po srážce atomů.

Fyzikové pozorovali, jak se částice při srážce mění jejich moment hybnosti tím, že změřili stav jednotlivého atomu cesia před a po srážce. Moment hybnosti částic u atomů je v podstatě v jednotlivých paketech – takzvaných elementárních kvantech. Výzkumníci nyní zjistili, že při jedné srážce mohou atomy vyměnit rovnou dva takové kvantové pakety. Dříve bylo pozorováno pouze výměnu jednoho paketu (kvanta). „To je možné jen proto, že jsme experiment provedli v nízkém magnetickém poli,“ říká Schmidt. Tím je energie atomů tak nízká, že hlavní roli v výsledku srážky hraje vzájemná interakce mezi jednotlivými částmi obou atomů. „Díky tomu je možné, že při srážce dojde ke dvěma přenosům takzvaných elementárních kvant, tedy ke zdvojnásobení změny momentu hybnosti,“ pokračuje fyzik.

Navíc vědci pozorovali ještě jeden efekt. „Slabé magnetické pole a nízká kinetická energie způsobují, že atomy i na vzdálenost tisíckrát větší než jsou samy atomy vzájemně interagují,“ pokračuje Schmidt. Pokud by se cíleně upravila síla magnetického pole, dalo by se i tento efekt řídit. Tento jev je přímo spojen s velmi velkým a slabě vázaným molekulárním stavem mezi oběma částicemi. „Nepřímo jsme tak mohli pozorovat obrovský molekula o velikosti přibližně dvou mikrometrů,“ říká Schmidt.

Tato znalost o vzájemné interakci částic při velmi nízkých energiích může například pomoci při zkoumání vazeb v molekulách. Molekuly totiž alespoň ze dvou atomů, které jsou na sebe vázány vzájemnými interakcemi. To by umožnilo například připravit a zkoumat velmi velké molekuly.

Studie byla publikována v prestižním odborném časopise Physical Review Letters: „Tailored single-atom collisions at ultra-low energies.“
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.013401
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.013401

Odpovědi na otázky:

Prof. Dr. Artur Widera
Lehrgebiet Individual Quantum Systems
E-mail: widera(at)physik.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-4130

Felix Schmidt
E-mail: schmidtf(at)physik.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-5272

Technická univerzita Kaiserslautern

Technická univerzita Kaiserslautern je jedinou technicko-inženýrskou univerzitou v Porýní-Falci. Budoucí orientované studijní programy, praktická výuka a moderní infrastruktura tvoří rámec, který studenti najdou na univerzitním kampusu. TUK byla oceněna v celostátním soutěžním projektu „Vynikající výuka“ cenou za excelenci ve studiu a výuce. Tímto univerzita dokazuje vysokou hodnotu svých studijních nabídek. Kromě toho studenti a vědci těží z řady mezinárodně uznávaných výzkumných institucí, které úzce spolupracují s TUK v oblasti aplikovaného výzkumu.