Dodano: 23 październik 2019r.

Laserowe pułapki na atomy w badaniach nowych materiałów

Za pomocą laserów można musztrować atomy gazu i sprawiać, by zachowywały się np. jak kryształ czy metal. A w ten sposób łatwo symulować nieznane jeszcze materiały i badać ich własności, np. szukać nadprzewodników. Mówi o tym fizyk dr Mateusz Łącki z Uniwersytetu Jagiellońskiego, który pokazał, jak takie eksperymenty usprawnić.

Pułapka magnetooptyczna

 

W naszym dużym, makroskopowym świecie, jeśli chcemy ustawić niesforne obiekty w odpowiednich pozycjach, możemy umieścić je w pułapkach, z których trudno uciec. Nie bez przyczyny jajka sprzedaje się w papierowych wytłoczkach - z takich podstawek kulistym obiektom wytoczyć się trudno. W pułapki jednak można łapać też znacznie mniejsze obiekty - atomy. Ale wtedy - zamiast tradycyjnych, namacalnych pułapek - wystarczy światło lasera i temperatury bliskie zera absolutnego.

Okazuje się jednak, że w takich warunkach złapane w pułapkę obiekty zaczynają kwantowe harce i... czasem udają kogoś innego. Kogoś, kogo chcielibyśmy poznać.

 

Dr Mateusz Łącki z UJ wraz ze współpracownikami z austriackiego Uniwersytetu w Innsbrucku opracował nowy sposób, aby zmniejszyć takie świetlne "klatki" i podwyższyć nieco temperaturę, w których będą one ciągle dobrze działać. Łatwiej będzie więc podglądać te kwantowe "bale przebierańców". Badania ukazały się w "Physical Review A".

Świetlne pułapki na kwantowych symulantów

- Badamy układy zimnych atomów gazu. Manipulujemy nimi za pomocą laserów. Chodzi o to, by taki układ symulował inne układy fizyczne, których właściwości chcemy zbadać - mówi w rozmowie z PAP.

Fizyk opowiada, że jeśli odpowiednio złapie się wychłodzone atomy gazu w świetlną pułapkę, nie będą one chciały zmienić swojego położenia, bo wtedy musiałyby przejść przez wiązkę bardzo silnego światła. A one wolą pozostawać "w cieniu". W takiej pułapce jednak całe zespoły schwytanych atomów zaczynają się stosować do innych reguł niż te, które dla nas są intuicyjne - ich oddziaływania zaczyna opisywać fizyka kwantowa. A wtedy gaz może zacząć funkcjonować tak, jak np. kryształ czy metal.

- W takich badaniach chodzi o to, by można było płynnie zmieniać właściwości badanego materiału i stworzyć symulator materiałów nowych, jeszcze nam nieznanych - podsumowuje dr Łącki.

Fizycy zakładają, że można będzie np. zmusić atomy, by w laserowej pułapce udawały, że są nadprzewodnikiem wysokotemperaturowym. Naukowcy bowiem marzą o takim materiale, który w temperaturach pokojowych byłby doskonałym przewodnikiem. Niestety nie wiadomo, jak taki materiał wyprodukować. Może natomiast udałoby się płynnie zmieniając właściwości materiału otrzymać jego schwytany w laserze odpowiednik. A potem łatwiej byłoby go odtworzyć wśród realnych materiałów.

Laserowe pułapki dla zimnych atomów są też nadzieją w pracach nad komputerami kwantowymi.

Nadzieja na nowe materiały

Problemem jest to, że optyczne pułapki wymagają temperatur bliskich zera absolutnego - rzędu kilkuset nanokelwinów (nanokelwin to miliardowa część stopnia Celsjusza ponad zero absolutne, czyli -273,15 st. C.). Zespół dr. Łąckiego pokazuje, jak produkować bardziej gęste niż dotąd "więzienia optyczne" dla zimnych atomów. A dzięki temu eksperymenty będzie można wykonywać w temperaturach nawet ok. 10 razy wyższych niż teraz. Będą to ciągle nieziemsko niskie temperatury, ale - w założeniu - nieco łatwiejsze do uzyskania w laboratorium.

Wydawało się, że atomowych pułapek nie można już dalej miniaturyzować. Limitem była tu długość fali światła lasera. Zespół dr. Łąckiego pokazał jednak, jak to przeskoczyć. Przyda się tam sztuczka podobna do tej, którą stosowano w starych telewizorach kineskopowych. Tam do rysowania obrazu przydawał się stroboskop. Chodzi tu o szybko migające światło. Okazuje się, że jeśli odpowiednio będzie się migać światłem lasera, można jeszcze bardziej precyzyjnie niż dotąd wskazywać atomom, gdzie powinny przebywać. A dzięki temu będzie można uzyskiwać optyczne klatki mniejsze niż obecnie i bardziej odporne na temperatury wyższe niż teraz.

- Być może w niedalekiej przyszłości, aby projektować nowe materiały, nie będziemy zdani tylko na skomplikowane, a nieraz niemożliwe do wykonania symulacje komputerowe, ale że będziemy budować - np. z wykorzystaniem zimnych atomów - układy pomocnicze, które będą nam odpowiadały na fundamentalne pytania, np. dotyczące nowych materiałów - podsumowuje fizyk.

 

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl, fot. NASA