Student World

Hlavním tématem březnového vydání britského vědeckého časopisu Nature je ultrachladná hmota. Již v roce 1930 se podařilo laboratorně dosáhnout teploty okolo 2 K a fyzika nízkých teplot přitom odhalila řadu speciálních vlastností, které hmota za těchto podmínek vykazuje. Jaké jsou poslední objevy na tomto poli?

Fascinujícím jevem bylo (již kolem poloviny minulého století známé) chování kapalného hélia. Zkoumáno bylo jak běžné hélium He4, tak i jeho izotop He3, kde je v jádře obsažen pouze jeden neutron. Vědci poprvé narazili na vlastnosti jako supratekutost a supravodivost.
Ve stejné době předpověděl Einstein také podivné chování hmoty při ještě nižších teplotách. Ultrachladné skupenství se od té doby označuje jménem Bose-Einsteinův kondenzát. Dlouho se jednalo pouze o spekulaci, protože neexistovaly technické prostředky k dosažení teplot blížících se 0 K.
Teprve roku 1980 došlo k objevu chlazení za použití laseru a v roce 1995 se pak podařilo Bose-Einsteinův kondenzát (není mi zcela jasné, kdy se v souvislosti s látkou ochlazenou na ultranízkou teplotu hovoří o kondenzátu a kdy o plynu, v Natute se mezi oběma termíny přechází na první pohled volně) poprvé připravit také laboratorně. U této látky byla opět zaznamenána např. supratekutost.
V současnosti jsme již schopni připravit látky o teplotě pouhých několika nanokelvinů. Původně se takto ochladit dařilo především alkalické kovy, dnes dokážeme získat ultrachladnou podobu řady dalších prvků, včetně některých jednoduchých sloučenin. Zatím jde o hmotu “klasickou” (tedy fermiony – protony, neutrony, elektrony).
(poněkud zamotané – podle Boseho jsou ale pojmenovány bosony? nemělo by tedy jít spíše o kondenzát z bosonů, tedy např. fotonů? nebo jde o to, že se atom počítá jako celek a zda jeho jádro či celý atom vyhlásíme za boson či fermion, rozhoduje celkový počet částic? Pak by se mohlo chování He3 a He4 lišit, protože každé jádro by bylo jiným "typem částice"…)

Přesně jak bylo Einsteinem předpovězeno, ultrachladné skupenství vykazuje řadu podivných vlastností. Mizí hranice mezi oddělenými atomy a namísto toho dostáváme něco na způsob kvantové směsi. (proč: Vlnová délka částic má již srovnatelnou velikost jako vzdálenost mezi nimi, čímž ztrácíme schopnost určit polohu jednotlivých atomů? nebo, kdyby šlo o "bosony jako celek", by neplatil Pauliho vylučovací princip a jednotlivé atomy by mohly setrvávat ve stejných stavech? a opět – lišilo by se pak chování jednotlivých izotopů). Všechny atomy, tj. celou soustavu, dokážeme následně popsat jedinou vlnovou funkcí (v jednom z pokusů se myslím na césiu dokonce ukazovalo, jak lze vlnovou funkci přímo vidět v "zamrzlém stavu"). Můžeme pozorovat další kvantové jevy, jako je např. tunelování.

Studium dějů při nízkých teplotách má smysl hned z několika důvodů. V Nature jsou v této souvislosti samozřejmě zmíněny kvantové počítače, ale existují také další aplikace. Jevy probíhající za ultranízkých teplot jsou obdobné procesům, které se předpokládají při zhroucení bílého trpaslíka či neutronové hvězdy do černé díry, tento podobor má proto úzký vztah např. také k astrofyzice.

Zdroj: Nature, březen 2002, téma nazvané Ultracold matter

ps: autor článku není odborníkem na tuto problematiku, omlouvá se za případné dezinterpretace původního materiálu v Nature – ostatně článek je spíše otázkami než odpověďmi…

autor Pavel Houser