Ψύχοντας ένα αέριο ατόμων με μαγνητοοπτικές παγίδες

Άρθρο, Ιούνιος 2005

Τα άτομα ενός θερμού αερίου συμπεριφέρονται όμοια με σκληρές μικρές σφαίρες — είναι πολύ κλασικά, ή μη κβαντικά. Κάθε άτομο, ωστόσο, στην πραγματικότητα έχει ένα κβαντικό κυματοπακέτο που απλώνεται σε μια μικρή περιοχή. Ενώ για τα θερμά άτομα είναι μικροσκοπικό, το κυματοπακέτο γίνεται μεγαλύτερο καθώς το άτομο ψύχεται. Συμπύκνωμα Bose-Einstein  σχηματίζεται όταν το αέριο γίνει τόσο ψυχρό και πυκνό ώστε τα κυματοπακέτα να αποκτήσουν μέγεθος ικανό για να αλληλεπικαλύπτονται. Τότε όλα τα άτομα συσσωρεύονται στην ίδια κβαντική κατάσταση —στο ίδιο κυματοπακέτο—, συναπαρτίζοντας έναν ενοποιημένο κυματοειδή σβώλο: ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein.

Η παραγωγή ενός συμπυκνώματος Bose-Einstein απαιτεί πολύν εξοπλισμό. Η καρδιά ενός πειράματος ψυχρών ατόμων είναι ένα μικρό γυάλινο κουτί με μερικές σπείρες σύρματος τυλιγμένες γύρω του. Τούτο το κελί εκκενώνεται εντελώς, οπότε ουσιαστικά έχουμε μία υπεραποτελεσματική φιάλη θερμός. Εν συνεχεία, αφήνουμε να εισέλθει μία μικροσκοπική ποσότητα του αερίου που θέλουμε.

Έξι δέσμες λέιζερ (δεξιό σχήμα) τέμνονται σε ένα σημείο μέσα στο κελί κενού. Το φως λέιζερ δεν χρειάζεται να έχει μεγάλη ένταση, και έτσι σε πολλές περιπτώσεις αρκούν φτηνά διοδικά λέιζερ, όμοια με εκείνα που συναντούμε στις μονάδες αναπαραγωγής οπτικών δίσκων. Σε θερμοκρασία δωματίου, τα άτομα του αερίου κινούνται ακανόνιστα μέσα στο κελί με ταχύτητα αρκετών εκατοντάδων χιλιομέτρων την ώρα. Όταν τύχει να εισέλθουν σε μία από τις δέσμες, το φως λέιζερ αρχίζει να τα ψύχει απότομα. Επιπροσθέτως, ένα ασθενές μαγνητικό πεδίο από τις συρμάτινες σπείρες συνωμοτεί με το φως λέιζερ για να σπρώξουν τα άτομα προς το σημείο τομής των έξι δεσμών.

Αυτός ο έξυπνος συνδυασμός φωτός λέιζερ και μαγνητικού πεδίου, ο οποίος ονομάζεται Μαγνητοοπτική Παγίδα (ΜΟΠ), επινοήθηκε το 1987 από τον Jean Dailbard της Ecole Normale Superieure στο Παρίσι. Ο David Pritchard, του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης, και ο Steven Chu, του Πανεπιστημίου Stanford, δημιούργησαν την πρώτη λειτουργούσα ΜΟΠ. Σήμερα η ΜΟΠ είναι ο μεγάλος δουλευτής της φυσικής των ψυχρών ατόμων, ψύχοντας αέρια από άτομα ρουβίδίου, νατρίου και πολλών άλλων ειδών σε θερμοκρασίες στην περιοχή του μικροκέλβιν.

Εντούτοις, η ΜΟΠ επιτυγχάνει μία σχετικά χαμηλή πυκνότητα —τα άτομα είναι πολύ απομακρυσμένα το ένα από το άλλο, με αποτέλεσμα οι κυματοσυναρτήσεις τους να μην αλληλεπικαλύπτονται. Για να φτάσουμε σε υψηλότερες πυκνότητες και ταυτόχρονα σε ακόμη χαμηλότερες θερμοκρασίες, απαιτείται ένας άλλος μηχανισμός. Κι εδώ ακριβώς μπαίνει στο παιχνίδι η ψύξη με εξάτμιση.

Η ψύξη με εξάτμιση είναι δυνατή επειδή την κάθε στιγμή κάποια σωματίδια στο αέριο σχεδόν ηρεμούν, ενώ άλλα έχουν ταχύτητα πολύ μεγαλύτερη από τη μέση. Όταν αφαιρεθούν αυτά τα πολύ γρήγορα άτομα, το αέριο που απομένει έχει μικρότερη θερμοκρασία. Δεν πρόκειται για κάποια καινούργια ιδέα: είναι ακριβώς ο μηχανισμός με τον οποίο κρυώνει ένα φλιτζάνι καφέ όταν το φυσάμε.

Πα να εφαρμοστεί, όμως, η ψύξη με εξάτμιση στα υπέρψυχρα άτομα, χρειάζεται εξοπλισμός πιο εξελιγμένος από ένα στόμα και ένα ζευγάρι πνεύμονες. Στα πειράματα συμπυκνώματος Bose-Einstein, η συγκεκριμένη διαδικασία συνήθως πραγματοποιείται μέσα σε μία μαγνητική παγίδα, την οποία μπορούμε να σκεφτόμαστε σαν βαθιά γαβάθα με άυλα τοιχώματα. Τα πιο ενεργητικά άτομα διαφεύγουν από τη γαβάθα. Το ύψος των τοιχωμάτων της γαβάθας μειώνεται σταθερά, έτσι ώστε τα θερμά άτομα να συνεχίζουν να διαφεύγουν, με αποτέλεσμα να συνεχίζεται η διαδικασία ψύξης των υπολοίπων ατόμων.

Ένα ουσιώδες στοιχείο της ψύξης με εξάτμιση συνίσταται στο ότι τα βραδύτερα άτομα που μένουν πίσω οφείλουν να ανακατανείμουν την ενεργεία τους —λίγα από αυτά καταλήγουν να έχουν υψηλότερες ταχύτητες [και αφαιρούνται από την παγίδα καθώς προχωρεί η εξάτμιση), ενώ τα υπόλοιπα γίνονται ακόμη βραδύτερα και ψυχρότερα. Αυτή η ανακατανομή συντελείται μέσω των «καλών» κρούσεων [κατ' αντιδιαστολή προς τις «κακές» κρούσεις με τα άτομα του περιβάλλοντος, οι οποίες έχουν το δυσάρεστο αποτέλεσμα να πετούν τα άτομα έξω από την παγίδα). Εδώ ακριβώς μπαίνουν δυναμικά στο παιχνίδι οι παγίδες μικροτσίπ: με μικρά ρεύματα, παράγουν ισχυρά πεδία που συμπιέζουν τα άτομα περισσότερο απ' ό,τι οι καθιερωμένες παγίδες, αυξάνοντας έτσι το ρυθμό των καλών συγκρούσεων.

Πηγή: Jacob Reichel - Scientific American