Student World

Následující text je úryvkem z knihy Nový kvantový vesmír

Dnes již každý slyšel o laserech a laserové světelné show jsou častou součástí moderních rockových koncertů. Laserové světlo se používá v mnoha oblastech sahajících od astronomie až po vodíkové termonukleární reakce. Co je onou výjimečnou vlastností laserového světla, díky níž je tak užitečné? Odpověď na tuto otázku je založena na vlastnosti vlnění známé jako „koherence“, kdy fotony světla působí společně v jakési zvláštní kvantově mechanické součinnosti. Ukazuje se, že tento druh kvantové součinnosti je zásadní pro pochopení podivného chování kvantových „supratekutých“ látek. Máme-li pochopit zvláštní povahu laserového světla, musíme si ale nejprve vysvětlit, co znamená koherence.
Představte si jednoduché vlnění. Daný obrazec se opakuje po jedné vlnové délce a frekvence vlny odpovídá počtu vlnových délek vyslaných za jednu sekundu. Pokud je tato vlna vlnou na struně, potom se každý bod na struně pohybuje pouze nahoru a dolů s jistou amplitudou: největší vzdáleností, kam až se může daný bod dostat, než se začne vracet. Až do tohoto okamžiku bylo toto skutečně vše, co jsme potřebovali o vlnách vědět. Nyní si představte dvě vlny o stejné vlnové délce, které však začaly být vysílány ve dvou nepatrně odlišných okamžicích. V prvním případě mají obě vlny nejvyšší i nejnižší místa ve stejných bodech. Ve druhém případě začala čárkovaná vlna klesat dříve, než druhá vlna dosáhla vrcholku.
Pokud je mezi dvěma vlnami pevný fázový rozdíl, říkáme, že jsouto vlny koherentní, a tyto vlny potom vykazují obvyklé interferenční jevy. Naopak dva různé atomární zdroje světla interferenční jevy nevykazují a říkáme, že jsou nekoherentní. Příčinou nepřítomnosti jakékoliv interference je to, že světlo přicházející z těchto dvou zdrojů pochází z mnoha různých atomů, z nichž každý vyzařuje fotony v jiný okamžik. Každá lampa tedy vysílá světlo, které je složeno ze spousty vln s mnoha různými fázemi. Mezi světelnými vlnami přicházejícími z těchto dvou zdrojů proto není žádný pevný fázový rozdíl a všechny jemné interferenční jevy jsou přehlušeny. Naopak laserové světlo je pozoruhodné tím, že světlo z mnoha různých atomů je vyzařováno se stejnou fází. Právě tato koherence laserového světla umožňuje zaostřit laserový paprsek do velice malé oblasti a dosáhnout velmi vysokého zhuštění světelné energie. Laserový paprsek o výkonu menším, než má běžná žárovka, dokáže propálit díru do kovové desky.

Laser je zkratka, která znamená „light amplification by stimulated emission of radiation“ (zesílení světla stimulovanou emisí záření). Stimulovaná emise je proces interakce atomu se světlem, na nějž jsme dosud nenarazili. Viděli jsme, že pokud na atom posvítíme zářením s energií fotonů, která přesně odpovídá rozdílu energetických hladin, může být elektron „stimulován“ k přeskoku do vyššího stavu. Tento proces se někdy nazývá stimulovaná absorpce.
Víme také, že atom v excitovaném stavu může spontánně emitovat foton se správnou energií a elektron pak seskočí do základního stavu. Tento proces rozpadu excitovaného atomu se nazývá spontánní emise. Třetí typ procesu, v němž vystupují fotony, objevil již roku 1916 Einstein. V listopadu tohoto roku napsal svému celoživotnímu příteli Micheli Angelu Bessovi: „V oslnivém záblesku jsem pochopil absorpci a emisi záření.“ Na počátku Einsteinova pobytu na patentovém úřadu v Bernu fungoval Besso jako Einsteinovo „testovací obecenstvo“ a právě jemu Einstein poděkoval ve svém slavném článku o speciální relativitě. (Když Besso v roce 1955 zemřel, napsal Einstein jeho rodině: „To, co jsem na něm jako na člověku nejvíce obdivoval, bylo, že po řadu let dokázal žít nejen v míru, ale také v trvalé harmonii se ženou – to je záležitost, v níž jsem já sám podvakrát dost ostudně zklamal.“)
Einstein si uvědomil, že pokud světlo, jehož fotony mají správnou energii umožňující přeskok elektronů, namíříme na atom v excitovaném stavu, bude to tento atom stimulovat k přechodu do stavu s nižší energií. Je přirozené nazývat tento proces stimulovanou emisí záření. Excitovaný atom by samozřejmě do nižšího stavu dříve či později stejně přešel – za přítomnosti stimulujícího záření k tomu jen dojde dříve. Následujících více než 35 let se tento proces stimulované emise dočkal sotva více než jen zběžné poznámky v učebnicích kvantové mechaniky, protože se mu nepřikládal žádný praktický význam. Co jsme ovšem přehlédli, byla zvláštní povaha světla, které je takto vyzařováno. Vyzařované fotony naprosto přesně stejnou fázi jako fotony, které přechod vyvolaly. Proměnné elektrické pole dopadající světelné vlny totiž způsobí, že rozložení náboje v excitovaném atomu bude oscilovat se stejnou fází jako toto záření. Emitované fotony mají všechny stejnou fázi – jsou koherentní – a navíc se pohybují stejným směrem jako foton, který jejich vyzáření vyvolal.

Takováto teorie je sice moc pěkná, je tu ale řada technických problémů, které je třeba vyřešit dříve, než bude možné použít tento mechanismus k vytvoření intenzivních paprsků laserového světla. Za běžné teploty je většina atomů v základním stavu. Musíme hledat způsob, jak do aktivního prostředí laseru načerpáme energii, abychom dokázali dostat většinu atomů do excitovaného stavu. Když je v excitovaném stavu více atomů než ve stavu základním, není to normální stav – této situaci se říká „populační inverze“. Dosáhneme-li takovéto populační inverze, potom proces stimulované emise převáží nad stimulovanou absorpcí a my docílíme celkového zesílení dopadajícího světla.

V prvním laseru byl použit rubínový krystal, což je oxid hlinitý, v němž jsou některé atomy hliníku nahrazeny příměsí chrómových atomů. Když do systému pustíme světlo o energii odpovídající rozdílu mezi hladinou E1 a E3, budou atomy chrómu excitovány do širokého vyššího stavu s krátkým poločasem rozpadu. Tyto excitované atomy se potom velice rychle rozpadají do stavu E2 s poměrně dlouhým poločasem rozpadu, a dojde tímto k populační inverzi. Až se některé z těchto stavů E2 spontánně rozpadnou, budou zde správné podmínky pro to, aby příslušné fotony vyvolaly stimulovanou emisi ostatních excitovaných atomů.
Fotony budou emitovány do všech směrů, ale ty, které se nepohybují podél rubínové tyčinky, uniknou do stran dříve, než stihnou vyvolat silnější stimulovanou emisi. Fotony, které se pohybují podél osy tyčinky, se několikrát odrazí tam a zpátky od zrcadel na koncích tyčinky. K emisi fotonů bude tedy stimulováno stále více atomů a na polopropustném konci krystalu se objeví intenzivní koherentní paprsek laserového světla. V tomto laseru je čerpání potřebné k dosažení populační inverze – jež je zde klíčová – zajištěno zábleskem světla a k udržení inverze je třeba zvláštní metastabilní stav s dlouhým poločasem rozpadu. Moderní lasery lze čerpat nepřetržitě a není nutné, aby měl potřebný metastabilní stav příliš dlouhý poločas rozpadu.

Skutečnost, že mnohé fotony v laserovém paprsku jsou ve stejném kvantovém stavu, je možná jen díky tomu, že fotony jsou bosony. U fermionů vyžaduje Pauliho vylučovací princip, aby měl každý elektron odlišná kvantová čísla, ale bosony mají tendenci se shlukovat ve stejném kvantovém stavu.
Jedinečné vlastnosti laserového světla nám umožňují soustředit světelnou energii do velmi intenzivního krátkého pulsu. Pomocí takovýchto laserových paprsků lze s úžasnou přesností změřit vzdálenost Měsíce od Země. Na Měsíc je velkým teleskopem vyslán puls laserového světla. Změřením doby letu fotonů, které se odrazily od Měsíce, lze vzdálenost k Měsíci určit s přesností několika centimetrů při celkové vzdálenosti okolo 400 000 km.

Další zajímavou aplikaci laserového světla představuje třírozměrná fotografie neboli „holografie“. Světlo z laseru je polopropustným zrcadlem rozděleno na dva paprsky. Jeden paprsek osvětluje objekt a rozptýlené světlo dopadá na fotografickou desku. Druhý paprsek je na tuto fotografickou desku zamířen, aniž by se na objektu rozptyloval. Protože laserové světlo je koherentní, mohou spolu tyto dva paprsky interferovat. Fotografická deska zaznamenává interferenční obrazec vyvolaný opětovným spojením těchto dvou paprsků. Tento fotografický záznam interferenčního obrazce se nazývá hologram podle řeckého slova holos, což znamená celý. To je kvůli tomu, že hologram na rozdíl od běžné fotografie – která zaznamenává pouze intenzitu světla dopadajícího na fotografickou desku – obsahuje také informace o fázi rozptylovaného světla, protože jde o záznam interferenčního obrazce. Obsahuje tudíž všechny optické informace přicházející od fotografovaného objektu.
Hologram se nijak nepodobá fotografovanému objektu – vypadá jako téměř náhodný obrazec z rozmazaných teček. Když jej ale ozáříme paprskem laserového světla, získáme opět dokonalou třírozměrnou kopii původního objektu. Když kroužíte kolem a díváte se na tento obrázek z různých úhlů, vidíte vzájemnou polohu jednotlivých jeho částí přesně tak, jak byste ji viděli u skutečného objektu. Objekty, které jsou při pohledu z jedné polohy skryty, můžeme vidět, když se na holografický obrázek podíváte z jiného směru. Holografii vynalezl v roce 1947 Dennis Gabor, který se narodil v Maďarsku a pracoval v britském Rugby. Tato technika však zůstala asi 15 let pouhou vědeckou kuriozitou. Teprve po nástupu koherentních paprsků laserového světla se z holografie stal průmyslový obor, v němž se točí miliony dolarů a který nachází uplatnění od lékařské diagnostiky až po testování pneumatik.

Tento text (+ obrázky, schémata a grafy) je úryvkem z knihy Nový kvantový vesmír
Tony Hey, Patrick Walters: Nový kvantový vesmír, Argo a Dokořán, Praha, 2005,
http://argo.kosmas.cz/detail.asp?id=126447
http://www.dokoran.cz/index.php?p=book.php&id=188

Anotace vydavatele:
"Poutavý a zasvěcený úvod do jedné z nejvlivnějších teorií 20. století určený laikům a založený na příkladech z každodenního života. Máme před sebou knihu, jež na základě středoškolských znalostí dokáže pomocí v podstatě nematematického výkladu zprostředkovat vhled do základních principů, jimiž se řídí kvantový svět. Autoři se zabývají rovněž oblíbenými kvantovými paradoxy a dávají čtenáři na výběr několik možných vysvětlení. Důležitost kvantové teorie vysvitne i v souvislosti s nadcházející nanotechnologickou revolucí, která bude zřejmě v tomto století určovat směr rozvoje technologií a spolu s kvantovou kryptografií a kvantovými počítači se přiblíží až na samou hranici snů z oblasti vědecko-fantastické literatury, jíž ostatně autoři vyhradili celou jednu kapitolu v závěru knihy. Srozumitelný a živý výklad je doprovázen četnými pečlivě zvolenými fotografiemi a přehlednými diagramy. Tato působivá a propracovaná kniha je nepochybně čtivým dárkem pro všechny zájemce o tajemnou a lákavou kvantovou teorii."

autor