Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 24 – vyšlo 4. července, ročník 12 (2014) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

24/2014

Cestování s kvantovou technologií

Petr Panchártek

Vědci z Velké Británie vyvinuli technologii, která umožňuje určení přesné polohy ponorek, aniž by se musely vynořit nad hladinu, a riskovat tak své prozrazení nepříteli. Tato technologie bude mít menší rozměry a vyšší přesnost než současná navigace. Umožní rychlejší určení polohy ponorky či jiného vozidla kdekoli na světě s odchylkou maximálně do jednoho metru.

Vědci z Imperial College v Londýně a Národní fyzikální laboratoře (NPL) vyvíjejí polovodičové čipy s mikromřížkou, které mohou štěpit laserové světlo do mnoha paprsků. Ty lze potom využít k laserovému ochlazování atomů pro kvantové technologie. Zdroj: NPL, [1].

LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. Laserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji, než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Zpravidla se používá šest laserů ve směru a proti směru tří souřadnicových os. Ať se atom vydá kamkoli, vždy proti němu bude svítit laser se správně posunutou frekvencí. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na nanokelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku. GPS – globální polohovací systém, navigace pomocí družic umístěných na oběžné dráze Země. Oficiální název je NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System). Systém je vyvíjen 30 let a v roce 2007 byla na oběžné dráze umístěna již čtvrtá generace polohovacích družic.

Kvantový akcelerometr

Pod pojmem „satelitní navigace“ si většina lidí představí navigační přístroj umístěný na čelním skle svého automobilu. Navigaci využívají hlavně dopravní prostředky na souši, na vodě či ve vzduchu. Satelitní navigace ale nefunguje pod vodou. Pokud se například GPS navigaceGPS – globální polohovací systém, navigace pomocí družic umístěných na oběžné dráze Země. Oficiální název je NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System). Systém je vyvíjen 30 let a v roce 2007 byla na oběžné dráze umístěna již čtvrtá generace polohovacích družic., tak jak jí známe z automobilu, ponoří do vody (nedoporučuje se to zkoušet), pak stačí jen tenká vrstva vody a GPS navigace okamžitě ztratí nezbytný družicový signál.

Prostředkům pohybujícím se často pod vodou, jako jsou ponorky, by se přesná navigace také hodila. Ponorky v současnosti zaznamenávají svou polohu pouze pomocí satelitní navigace na vodní hladině a po ponoru pak používají soustavu akcelerometrůAkcelerometr – zařízení pro měření zrychlení. ke zjištění směru pohybu a vypočtení polohy. Tato technologie není moc přesná, například po podmořské cestě trvající 24 hodin se může ponorka vynořit s až kilometrovou odchylkou. Proto se musí akcelerometry v ponorkách stále překalibrovávat a vyměňovat.

Pro účely podmořského cestování byl vyvinut kvantový akcelerometr, založený na kvantové interferenciKvantová interference – skládání amplitud pravděpodobnosti několika možností vývoje systému. Amplitudy se mohou vyrušit, potom hovoříme o destruktivní interferenci. Pravděpodobnosti dějů jsou druhou mocninou součtu amplitud pravděpodobností jednotlivých možností. superchladných atomů. Toto zařízení umožní ponorkám přesně určit svou polohu do jednoho metru i po celodenním cestování pod vodní hladinou.

V kvantovém akcelerometru se nachází optická soustava laserů, které dokáží ochladit pohybující se atomyAtom – základní strukturní jednotka hmoty, jádro je složeno z neutronů a protonů, obaly z elektronů. Rozměry atomu jsou 10⁻¹⁰ m, rozměry jádra 10⁻¹⁴ m, hustota atomu je 10¹¹ g·cm⁻³, hustota jádra 10¹⁴ g·cm⁻³. Elektrony nejsou v atomárnáím obalu lokalizovány, můžeme určit jen pravděpodobnosti jejich výskytu v tzv. orbitalech.  na hodnotu blízkou absolutní nule. Atomy jsou přitom zmrazeny v určité poloze. Poté se měří změna pohybu těchto zmrazených atomů způsobená zrychlením. Na rozdíl od makroskopického kusu materiálu v klasickém akcelerometru, který podléhá namáhání a mění své vlastnosti s časem, je technologie v atomárním měřítku mnohem přívětivější. Díky tomu, že atom je stejný jako jiný atom téhož prvku, a díky tomu, že atom, jak ho vidíme dnes, bude stejný i za rok, umožňuje kvantový akcelerometr mnohem přesnější čtení a měření síly, která působí na jednotlivé zmrazené atomy.

Laserové ochlazování atomů

Za normálních podmínek se atomy (či molekuly) plynu pohybují všemi možnými směry a se širokým rozdělením rychlostí. Tento „neklid“ činí studium atomů velmi obtížným a omezuje množství informací, které lze o atomech získat.

Světlo se skládá z částic zvaných fotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926., jež nesou různé mechanické vlastnosti, jako je například energie či hybnost. Různé barvy světla odpovídají fotonům s různými energiemi. Na světlo lze rovněž nahlížet jako na elektromagnetické vlnění s určitou amplitudou a frekvencí. Energie fotonu je úměrná frekvenci těchto kmitů. Při srážce atomu s fotonem může dojít k tomu, že foton předá atomu svou hybnost; k tomu je ovšem třeba, aby foton nesl správnou energii. To, která energie je správná, je určeno vnitřní strukturou atomu, jeho tzv. energetickými hladinami. Jestliže se energie fotonu rovná rozdílu dvou energetických hladin atomu, je foton absorbován a po velmi krátké chvíli opět vyzářen – emitován. Pokud se atom pohybuje proudem fotonů (paprskem světla) určité barvy, bude vnímat poněkud odlišnou barvu světla. Tato pozměněná barva odpovídá vyšší frekvenci, jestliže se atom a paprsek pohybují proti sobě, a nižší frekvenci, když se pohybují souhlasně. A právě tento tzv. Dopplerův jevDopplerův jev – změna frekvence vlnění při vzájemném pohybu zdroje a pozorovatele. Přibližuje-li se pozorovatel ke zdroji, naměří vyšší frekvenci, než když se vzdaluje. Může jít o zvukové, elektromagnetické i jakékoli jiné vlnění. Jev poprvé popsal rakouský matematik a fyzik Christiaan Doppler (1803–1853), který část svého krátkého života strávil jako profesor pražské Polytechniky, předchůdkyni dnešního ČVUT v Praze. lze využít k chlazení atomů.

Dopplerovské chlazení atomů světelným zářením

Základní princip chlazení atomů laseremLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. lze velmi dobře pochopit na základě klasických představ. Světlo interaguje s atomy prostřednictvím světelných kvant. Těmi jsou fotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926., které mají energii přímo úměrnou frekvenci a nepřímo úměrnou vlnové délce záření. Díky tomu, že mají fotony určitou hybnost, získává atom při pohlcení (absorpci) nebo vyzáření (emisi) fotonu určitý impulz. Předaná hybnost má při absorpci směr šíření světelného paprsku, ale při samovolném vyzáření fotonu je náhodná. Výsledkem mnoha cyklů absorpce a emise je změna hybnosti ve směru postupu světelného paprsku.

Princip laserového brzdění (chlazení). Laserový svazek je namířen proti pohybu atomů a jeho frekvence je mírně nižší, než by odpovídalo rozdílu hladin vhodného rezonančního atomového přechodu. Fotony proto zachytí jen atomy pohybující se proti laserovému svazku, protože je vnímají správně frekvenčně posunuté. Kresba autor.

Za pomoci Dopplerova jevu lze dosáhnout toho, aby záření silově působilo proti směru pohybu atomů, a tím je ochlazovalo. Atomy pohlcují jen určité frekvence elektromagnetického záření dané strukturou energetických hladin elektronů v jejich obalech. Jestliže na stojící atom posvítíme světlem, jehož frekvence je o trochu menší, nebude se takové záření absorbovat.

Pro stojící atom má záření nižší frekvenci, než je k jeho pohlcení zapotřebí.
Kresba autor.

Jedině v případě, že se atom pohybuje vhodnou rychlostí proti světelnému paprsku a vidí zvýšenou frekvenci, začne absorbovat fotony. Atom je tak při pohybu proti proudu fotonů brzděn, jako kdyby se pohyboval hustým medem, tento jev se nazývá „optický sirup“. Kresba autor.

A magnetická past k tomu...

K laserové metodě chlazení atomů bylo přidáno nehomogenní magnetické pole, které umožnilo atomy zachytit (většina atomů se chová jako malý magnet). Jedná se o kombinaci „optického sirupu“ s magnetickou pastí, která umožní ochlazené atomy skladovat pro další použití. Atomové pasti otevřely cestu k novým oblastem výzkumu a netradičním technologiím. K aplikacím patří například atomové hodiny s výrazně zvýšenou přesností (nutnou k navigaci, a to na zemi i ve vesmíru) či atomová litografie potřebná k výrobě mikroelektronických součástek nové generace.

I když dokáže metoda chlazení atomů velmi účinně zmrazit jednotlivé atomy, stále jejich rychlost zůstává nenulová. I ty nejstudenější atomy neustále absorbují a emitují fotony, a to jim uděluje malý, ale konečný zpětný ráz.

Magneto-optická past

Tři dvojice paprsků (XX‘, YY‘ a ZZ‘) z kontinuálního laditelného laseru přicházejí ve směru tří navzájem kolmých os do jednoho místa, kam je také směřován proud atomů. Ve znázorněném uspořádání je navíc jeden laserový paprsek namířen přesně proti proudu přilétajících atomů a má za úkol zpomalovat atomy, vytvářet proti jejich pohybu radiační tlak. Ať se atom vydá kterýmkoli směrem, vždy proti němu bude mířit některý ze zpomalujících paprsků. Laserové záření působí na atomy pomocí jako účinný chladící mechanizmus, samo však nevytváří dosti efektivní past pro udržení atomů. Proto se přidává nehomogenní (prostorově proměnné) magnetické pole s intenzitou klesající směrem do středu pasti. Takové pole lze v nejjednodušším případě vytvořit dvěma cívkami protékanými proudem v opačných směrech. Magnetické pole interaguje s magnetickým momentem atomů a atomy jsou posouvány do středu pasti, kde interagují s laserovým zářením. Magnetické pole vytváří neviditelnou hradbu proti úniku atomů z pasti.

Magnetooptická past pro laserové ochlazování – konfigurace s magnetickým polem s minimem intenzity uprostřed pasti, která současně umožňuje vstup šesti chladicích laserových svazků. Kresba autor.

Magnetooptické pasti jsou stále zdokonalovány a již dnes se staly standardním zařízením v mnoha laboratořích. Typická past umožňuje zachytit stovky milionů až desítky miliard atomů s hustotou až miliardy atomů na krychlový milimetr. Nejjednodušší varianty využívají jako zdroj atomů malou nádobku s příslušnými atomy za pokojové teploty a k chlazení jen malé polovodičové lasery. Takové zařízení může mít velmi malé rozměry a relativně nízkou cenu.

Úspěšně chladit a zachycovat lze jen atomy s vhodnou strukturou energetických stavů. Také dostupnost laserů svítících na potřebných vlnových délkách je důležitým kritériem pro komerční výrobu.

Chytání atomů do magneto-optické pasti. Zdroj: Youtube/QAO CMU.

Závěr

Vědci z britské DSTL (Defence Science and Technology Laboratory) již takové zařízení vyrobili, nyní pracují na jeho zmenšení, aby jej mohla používat i pěchota, nejen ponorky či lodě. Uvažuje se i o využití v autech či mobilech dostupných běžným spotřebitelům. Klíčovým úkolem bude miniaturizace součástek včetně laserů, optiky a kontrolního systému. Dalším klíčovým prvkem bude používání velmi malé vakuové komory s vynikajícími optickými vlastnostmi.

Odkazy