|
FyzWeb články |
||||||
BEC z chrómu 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. | ||||||
