FyzWeb  články
Boseho-Einsteinov kondenzát2005-05-14 

BEC z chrómu
Nemeckým vedcom sa podarilo v marci (březen) 2005 vytvoriť Boseho-Einsteinov kondenzát (BEC) z atómového plynu chrómu. Doposiaľ bol vytvorený BEC z alkalických kovov (H, Li, Na, K, Rb, Cs) a He. Chróm je v porovnaní s týmito prvkami výnimočný tým, že má veľký magnetický dipólový moment, pretože obsahuje vo valenčnej vrstve šesť elektrónov s paralelnými spinmi (konfigurácia Cr je 3d5 4s1 - obr. 1). Magnetická dipól- dipólová interakcia medzi atómami chrómu je až 36-krát silnejšia ako u atómov alkalických kovov. Bude tak po prvý raz možné skúmať i ďalekodosahovú dipól- dipólovú interakciu degenerovaných kvantových plynov. U doposiaľ vytvorených BEC z vyššie spomínaných prvkov nebola dipól-dipólová interakcia dostatočne silná, preto je zatiaľ preskúmaná len ako interakcia krátkeho dosahu.
Chróm sa v súčasnosti využíva v litografii - pokrýva sa ním povrch masky (obr.3), ktorá sa pri procese litografie používa (obr.2). Na kremíkovej doštičke sa tak vytvorí niekoľko desiatok až stoviek čipov (obr.4).
Vo forme BEC nájde chróm uplatnenie i v nanolitografii (pri nanášaní nanoštruktúr na substrát pomocou laserového atómového lúča) a umožní skúmať ďalekodosahovú dipól-dipólovú interakciu ako i niektoré dipolárne javy a nové druhy kvantových fázových prechodov.

Obr. 1: Elektrónová konfigurácia chrómu

Obr. 2: Proces litografie(používa sa pri výrobe čipu) - žiarenie, napr. svetlo, prechádza maskou a dopadá na tenkú doštičku(zväčša kremíkovú). Maska (obr. 3) je na povrchu pokrytá vrstvou chrómu a "nesie" vzor integrovaného obvodu, ktorý chceme na čipe vytvoriť ( http://www.memsnet.org/mems/beginner/lithography.html).

Obr. 3: Maska ( http://www.fbh-berlin.de/ english/pres/pres_3.html)



Obr. 4: Čipy na kremíkovej doštičke (http://www.semiconductorfabtech.com/features/tap/articles/03.247.html)

Objav BEC a čo to vlastne je
Indický fyzik S.N. Bose prišiel na to, že svetlo sa šíri po kvantách, v podobe fotónov. Vypracoval okolo roku 1924 štatistiku, ktorá popisovala správanie fotónov ako i iných častíc s celočíselným spinom, tj. bozónov1. Bozóny majú v porovnaní s fermiónmi2 tú zaujímavú vlastnosť, že sa môžu nachádzať v tom istom kvantovom stave. Táto štatistika, popisujúca správanie bozónov - Boseho- Einsteinova štatistika - nesie i Einsteinovo meno - Boseho teória totiž nemala dôveru vo vedeckých kruhoch, a tak ju Bose poslal Einsteinovi, ktorý potvrdil správnosť jeho teórie a zovšeobecnil túto štatistiku i na atómové plyny - ale len na tie, ktorých atómy obsahujú párny (sudý) počet fermiónov (protóny + neutróny + elektróny), napríklad 8737Rb, 2311Na, 73Li, kde p je skratka pre protóny. Zistil, že takéto atómy vykazujú rovnaké správanie ako bozóny, tj. môžu sa nachádzať v rovnakom stave - ale len za veľmi nízkych teplôt, rádovo sú to desiatky nK (nanoKelvinov), prípadne menej.
Bose a Einstein tak predpovedali nový druh hmoty, ktorý nesie ich mená - Boseho- Einsteinov kondenzát (BEC). Atómy prejdú ochladením na dostatočne nízku teplotu do rovnakého kvantového stavu, stavu s najnižšou možnou energiou (animácia 1). Tento proces je podobný utváraniu kvapaliny z plynu - kondenzácii (je to ale len analógia, ku kondenzácii v pravom zmysle tu nedochádza), preto BEC nesie v svojom názve slovo kondenzát.
Za bežných teplôt zaujímajú atómy rôzne kvantové stavy, správajú sa podobne ako elektróny - žiadne dva elektróny nemôžu byť v atóme v tom istom kvantovom stave (Pauliho vylučovací princíp). V stave BEC sú ale atómy v rovnakom kvantovom stave - utváranie BEC: animácia 2(http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/images/evap2.gif).

1 bozóny - častice s celočíselným spinom, názov dostali na počesť Boseho. Riadia sa Boseho-Einsteinovou štatistikou. Patria sem napr. nositele interakcií: fotóny, gluóny, W +, W- , Z0 a gravitóny
2 fermióny - častice s poločíselným spinom, patria sem napr. protóny, neutróny a elektróny, tj. častice tvoriace hmotu. Ich správanie popisuje Fermiho-Diracova štatistika.


Obr.5: BEC (reálny záber BEC, postupné utváranie BEC) (http://cua.mit.edu/ketterle_group/Popular_papers/Ultralow_temperatures.htm)

Animácia 1( http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/what_is_it.html) - správanie systému atómov (celkový počet fermiónov musí byť párny) v závislosti na teplote. Na uvedenej www stránke je animácia, ukazujúca čo sa deje s atómami pri rôznych teplotách - ak dostatočne znížite teplotu, atómy zaujmú ten istý stav a vzniká BEC.


Ako možno ochladiť látky na nízke teploty
Ochladzovanie atómov na teploty desiatok nK (1 nK = 1000 mK, kde nK je nanokelvin a mK mikrokelvin) sa dosahuje použitím dvoch techník:
- laserovým ochladzovaním na niekoľko nK (v roku 1997 udelená Nobelova cena za postavenie tohto laserového zariadenia)
Po tom, čo znížime teplotu atómov na niekoľko nK, pokračujeme v ochladzovaní technikou:
- ochladzovanie atómov odparovaním (evaporatívne ochladzovanie).
Pri metóde ochladzovania odparovaním pôsobí na atómy plynu silné magnetické pole - atómy sú v "pasci". Toto pole postupne zoslabujeme. Tým uniknú atómy s dostatočnou energiou, pričom odnášajú i energiu atómov ostávajúcich v "pasci". Postupným zoslabovaním poľa tak zostanú v "magnetickej pasci" len chladné atómy, ktoré skondenzujú do stavu BEC (únik atómov z magnetickej pasce - animácia 3: http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/evap_cool.html). Magnetické pole okrem toho udržiava atómy v dostatočnej vzdialenosti od stien nádoby - ak by totiž dochádzalo ku kontaktu atómov s nádobou, atómy by prijímali tepelnú energiu a bolo by ťažké ich teda ochladiť.
Atómy je možné zväčša udržať v stave BEC po dobu 15-20 sekúnd. V roku 2003 sa podarilo ochladiť sodíkové atómy na teplotu 0,5 nK.


Aplikácie BEC
BEC bolo po prvýkrát vytvorené v Colorade v roku 1995 a to z atómov rubídia (v roku 2001 bola zaň udelená Nobelova cena). Koncom roka 2002 bol v Innsbrucku (Rakúsko) vytvorený BEC z atómov cézia, ktorý nájde využitie napr. pri konštruovaní presnejších atómových hodín, a teda i navigačných systémov GPS (Global Positioning System) alebo tiež v medzinárodnej dátovej komunikácii.Mohli by byť tiež súčasťou kvantových počítačov a sú vhodné i na skúmanie základných symetrií v prírode.
BEC nájde využitie v nanotechnológiách, napr. v nanolitografii - na vyvíjanie menšej a rýchlejšej elektroniky, ktorá pracuje s koherentnými atómami ochladenými na veľmi nízke teploty, tj. s BEC. Atómová optika je obdobou laserovej optiky, len sa namiesto fotónov využívajú atómy. BEC tak umožnil konštrukciu atómového lasera (obr.6).


Obr.6: Atómový laser - časť hmoty BEC, tvorenej koherentnými atómami, padá vplyvom gravitačného poľa. Skutočná veľkosť obrázku je 2,5 x 5 mm (http://nobelprize.org/physics/laureates/2001/public.html)
Obr.7: Atómový čip (http://www.ils.uec.ac.jp/COEcoherent/eng/project/youran/nakagawa.htm)


BEC umožní pokrok vo výskume nelineárnych procesov a základných kvantovo-mechanických javov, taktiež bude možné ľahko manipulovať s rýchlosťou svetla v danom látkovom prostredí - v roku 2001 bolo v súvislosti s tým po prvý raz zastavené svetlo využitím BEC. Laserový pulz prechádzal komorou naplnenou atómami sodíka, ktoré boli ochladené na niekoľko nK a boli držané v magnetickom poli. Schopnosť zastaviť svetlo povedie k rozvoju optických komunikácií. (Podrobnejšie informácie k experimentu zastavenia svetla na http://www.aldebaran.cz/bulletin/2003_15_las.html). Výskum BEC je v súčasnosti vo svojich počiatkoch, nie je ešte poriadne preskúmaný, preto ďalšie možné aplikácie na svoj objav ešte len čakajú.



Zdroje:
http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/how_its_made.html
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/83C72D475EC64293C1256E970048FDB3
http://www.rsphysse.anu.edu.au/~ss0105/tut/student/bec/linda/BEC2.htm
http://www.pcserver.sk/spravy.asp?id=3179%20
http://www.referaty.sk/prirodne_vedy/fyzika_a_astronomia/2651
http://www.aldebaran.cz/bulletin/2003_15_las.html
http://www.swin.edu.au/bioscieleceng/soll/caous/atom_optics.htm
http://www.photronics.com/about/basics.jsp
http://arxiv.org/abs/cond-mat/0503044

Zpracovala A. Drietomská.





Doporučit článek

Od:
Komu:
Antispam: