Παγίδευση ουδετέρων σωματιδίων με Laser - 1ο μέρος
Αρθρο του STEVEN CHU

Τα Laser μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παγιδεύσουμε και να κατευθύνουμε σωματίδια ηλεκτρικά ουδέτερα. Οι τεχνικές αυτές έχουν επιτρέψει στους επιστήμονες να ψύξουν ατμούς σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν, να αναπτύξουν νέα ατομικά ρολόγια και να ξεδιπλώσουν μεμονωμένα μόρια DNA.

Περιεχόμενα Σελίδας:

1. Ιστορικές προσπάθειες για ακινητοποίηση και παγίδευση ουδετέρων σωματίων
2. Δέσμες αντίθετων κατευθύνσεων ψύχουν πάρα πολύ τα άτομα, ενώ συγχρόνως επάγουν σ' αυτά διπολικές ροπές και τα παγιδεύουν
3. Οι οπτικές μολάσσες, οι μαγνητοοπτικές παγίδες, και άλλες σύγχρονες εξελίξεις στην παγίδευση ατόμων.
4. Οι ατομικές παγίδες ανοίγουν νέους δρόμους στην φυσική.
5. Οι οπτικές λαβίδες και η χρήση τους στην βιολογία.

Ιστορικές προσπάθειες για ακινητοποίηση και παγίδευση ουδετέρων σωματίων-1ο μέρος

Καθώς πιάνετε το φύλλο ενός περιοδικού για να γυρίσετε σελίδα, σκεφτείτε προσεκτικά τι ακριβώς κάνετε. Κάθε φορά που θέλετε να πιάσετε μια σελίδα, πρέπει να τοποθετήσετε το ένα δάκτυλο πάνω από το χαρτί και το άλλο από κάτω κατά τρόπο ώστε η απόσταση μεταξύ κάθε δάχτυλου και του χαρτιού είναι περίπου ίση με τη διάμετρο ενός ατόμου. Στο σημείο αυτό τα ηλεκτρόνια στην επιφάνεια των δακτύλων σας απωθούν τα ηλεκτρόνια σε κάθε πλευρά της σελίδας. Αυτή η ελαφρή αναδιάταξη των φορτίων παράγει ένα ηλεκτρικό πεδίο που είναι αρκετά ισχυρό ώστε να σας επιτρέπει να σφίξετε τη σελίδα μεταξύ των δακτύλων σας. Σημειώστε ότι ασκώντας ηλεκτρικές δυνάμεις σε ατομική κλίμακα, μπορείτε να κρατάτε αντικείμενα που είναι στο συνολό τους ηλεκτρικά ουδέτερα.

Aντίθετα το να μπορέσουμε να διαχειριστούμε ουδέτερα αντικείμενα ατομικού μεγέθους είναι μια τρομερή πρόκληση από τεχνική άποψη. Τα φορτισμένα αντικείμενα είναι πολύ πιο εύκολο να τα ελέγξουμε διότι τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία μπορούν να ασκούν πολύ ισχυρότερες δυνάμεις σ’ αυτά. Πράγματι πάνω από μισό αιώνα οι επιστήμονες έχουν εφαρμόσει ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις για να κινήσουν από απόσταση φορτισμένα σωματίδια όπως ηλεκτρόνια και ιόντα. Αλλά μόνο τα τελευταία λίγα χρόνια, οι ερευνητές κατάφεραν να κινήσουν ουδέτερα σωματίδια σε επιθυμητές αποστάσεις.

Πιο συγκεκριμένα οι ερευνητές έχουν αναπτύξει συσκευές που χρησιμοποιούν laser για να παγιδεύσουν και να οδηγήσουν άτομα και σωματίδια μεγέθους μικρομέτρου με εκπληκτικό έλεγχο επάνω τους. Αυτές οι καινοτομίες έχουν οδηγήσει γρήγορα σε μια πλατιά γκάμα εφαρμογών. Το ερευνητικό γρουπ που διευθύνω, έχει ψύξει άτομα σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, πράγμα που μας επέτρεψε να εξετάσουμε τις κβαντικές καταστάσεις της ύλης και ασυνήθεις αλληλεπιδράσεις μεταξύ του φωτός και υπέρψυχρων ατόμων. Έχουμε αρχίσει να αναπτύσουμε ατομικά ρολόγια και εξαιρετικά ευαίσθητα επιταχυνσιόμετρα. Οι τεχνικές μας εφαρμόζονται για να διαχειριστούμε μεμονωμένα μόρια όπως μεγάλα πολυμερή. Επιπρόσθετα έχουμε αναπτύξει μια οπτική λαβίδα που χρησιμοποιεί δέσμες laser για να πιάσει και να μετακινήσει οργανίδια εντός των κυττάρων χωρίς να τρυπήσει τις ενδιάμεσες μεμβράνες.

Σχεδόν μια δεκαετία πριν να μάθουν οι επιστήμονες να ελέγχουν τα ουδέτερα σωματίδια από απόσταση με φως laser, πέτυχαν μερικούς από τους ίδιους στόχους χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία. Εφάρμοζαν πεδία για να εστιάζουν τα άτομα σε δέσμες και να τα παγιδεύουν. Όταν έμαθαν να παγιδεύουν τα άτομα και με laser, στράφηκαν στο τεράστιο οπλοστάσιο των τεχνικών laser που τους επέτρεπε να ασκούν ακριβή έλεγχο πάνω στα ουδέτερα σωματίδια.
Η πρώτη παγίδα για ουδέτερα σωματίδια δημιουργήθηκε από τον Wofgang Paul του πανεπιστημίου της Bonn.
Το 1978 αυτός και οι συνεργάτες του πέτυχαν να παγιδεύσουν νετρόνια σε μαγνητικό πεδίο. Επτά χρόνια αργότερα, χρησιμοποιώντας τις ίδιες βασικές αρχές, ο William D. Phillips και οι συνεργάτες του στο Εθνικό Γραφείο Σταθμών μπόρεσαν να παγιδεύσουν άτομα.
Η μαγνητική παγίδα μπορεί να συγκρατήσει μόνο σωματίδια που έχουν μαγνητικές ιδιότητες όμοιες μ' αυτές ενός μικροσκοπικού μαγνήτη. Για να είμαστε πιο ακριβείς το σωματίδιο πρέπει να έχει μια μικρή μαγνητική διπολική ροπή. Αν ένα τέτοιο σωματίδιο τοποθετηθεί σ' ένα μαγνητικό πεδίο του οποίου η ένταση μεταβάλλεται από περιοχή σε περιοχή, θα κινηθεί προς την ασθενέστερη ή ισχυρότερη περιοχή του πεδίου ανάλογα με τον αρχικό προσανατολισμό του σωματιδίου. Ο Paul κατάλαβε ότι είναι δυνατόν να σχεδιαστεί ένα μαγνητικό πεδίο με ένα τοπικό ελάχιστο στην ένταση του πεδίου και αν το μαγνητικό δίπολο είναι αρχικά προσανατολισμένο να αναζητά μια θέση όπου το πεδίο είναι ασθενέστερο, θα παραμείνει προσανατολισμένο στην αναζήτηση της περιοχής με μικρότερη ένταση.

Τα άτομα μπορούν επίσης να παγιδευτούν με φως από laser. Το φως μπορεί να ασκήσει δυνάμεις και άλλα ουδέτερα σωματίδια γιατί μεταφέρει ορμή. Αν ένα άτομο βομβαρδιστεί με μια δέσμη laser ορισμένης συχνότητας, θα απορροφά συνεχώς και θα επανεκπέμπει φωτόνια, τα κβάντα του φωτός. Καθώς το άτομο απορροφά φωτόνια, θα δέχεται ένα καταιγισμό από ωθήσεις στην κατεύθυνση διάδοσης του φωτός. Οι ωθήσεις αυτές προστίθενται για να δώσουν μια "σκεδάζουσα" δύναμη που είναι ανάλογη προς την ορμή κάθε φωτονίου και προς τον αριθμό των φωτονίων που σκεδάζει το άτομο στη μονάδα του χρόνου. Φυσικά για κάθε φωτόνιο που απορροφά το άτομο, πρέπει να εκπέμπει και ένα. Αλλά επειδή τα εκπεμπόμενα φωτόνια δεν έχουν προτιμητέα κατεύθυνση, η αλλαγή της ορμής εξαιτίας των εκπεμπομένων φωτονίων είναι κατά μέσο όρο μηδέν. Η απορρόφηση και η εκπομπή έχουν ως καθαρό αποτέλεσμα την ώθηση του ατόμου προς την κατεύθυνση διάδοσης του φωτός.

Το μέγεθος αυτής της σκεδάζουσας δύναμης είναι αρκετά μικρό. Αν ένα άτομο απορροφά ένα μόνο φωτόνιο, η αλλαγή στην ταχύτητά του είναι μικρή συγκρινόμενη με τη μέση ταχύτητα των ατόμων ενός αερίου σε θερμοκρασία δωματίου.
(Η μεταβολή είναι της τάξης ενός cm/sec, όσο η ταχύτητα ενός μυρμηγκιού, ενώ ένα άτομο σε θερμοκρασία δωματίου κινείται με την ταχύτητα ενός υπερηχητικού αεροπλάνου).
Η σκεδάζουσα δύναμη ανιχνεύτηκε για πρώτη φορά το 1933, όταν ο Otto R. Frisch την χρησιμοποίησε για να εκτρέψει μια δέσμη ατόμων Νατρίου. Παρασκέυασε τα άτομα εξαχνώνοντας σε ένα δοχείο Να. Για να σχηματίσει δέσμη, έβαλε τα άτομα να περάσουν μέσα από μια τρύπα στο δοχείο και από μια σειρά σχισμών. Όταν σχηματίστηκε η δέσμη βομβαρδίστηκε με φως από μια λάμπα νατρίου. Αν και κατά μέσο όρο κάθε άτομο Νατρίου απορροφούσε μόνο ένα φωτόνιο, ο Frisch μπόρεσε να ανιχνεύσει μια ελαφρά απόκλιση της δέσμης.
Η σκεδάζουσα δύναμη που δημιούργησε ο Frisch ήταν πάρα πολύ ασθενική για να παγιδεύσει άτομα. Δεκαετίες αργότερα οι ερευνητές αναγνώρισαν ότι ο ρυθμός σκέδασης των φωτονίων θα μπορούσε να αυξηθεί σε 10 εκατομμύρια φωτόνια ανά δευτερόλεπτο, που θα αντιστοιχούσε σε μια δύναμη 100.000 φορές μεγαλύτερη από την έλξη της βαρύτητας που προκαλεί η γη στο άτομο. Η πρώτη δραματική επίδειξη της σκεδάζουσας δύναμης επί των ατόμων έγινε από δύο ανεξάρτητες ομάδες ερευνητών που καθοδηγούνταν από τους Phillips και John Hall στο Εθνικό Γραφείο Σταθμών. Το 1985 ακινητοποίησαν μια δέσμη ατόμων και έτσι ελάττωσαν τη θερμοκρασία των ατόμων από 300⁰ Κ σε 0,1⁰Κ.

Η ισχύς της σκεδάζουσας δύναμης που ήταν εφικτή με χρήση laser δημιούργησε την ελπίδα στους ερευνητές, ότι θα μπορούσαν όχι μόνο να ακινητοποιήσουν τα άτομα αλλά και να τα παγιδέψουν. Οι προσπάθειες όμως να σχηματιστούν αρκετές δέσμες laser ώστε να μπορέσουν να συλλέξουν και να συγκεντρώσουν άτομα σε μια περιοχή του χώρου έμοιαζαν καταδικασμένες σε αποτυχία. Σύμφωνα με ένα θεώρημα που είναι γνωστό ως Οπτικό Θεώρημα Earnshaw, είναι αδύνατον να σχηματίσουμε μια παγίδα ατόμων με φως, όποια διάταξη και αν επινοήσουμε, αν η σκεδάζουσα δύναμη είναι ανάλογη προς την ένταση του φωτός. Το πρόβλημα έγκειται στο ότι δεν υπάρχει τρόπος οι δέσμες να διαταχθούν ώστε να προκαλούν δυνάμεις μόνο προς το εσωτερικό μιας περιοχής. Κάθε φως που εισέρχεται σε μια περιοχή-παγίδα πρέπει επίσης να εξέρχεται από αυτήν επανεκπεμπόμενο, και έτσι να μεταφέρει επίσης δυνάμεις επί των σωματιδίων της περιοχής προς τα έξω.

O STEVEN CHU είναι καθηγητής φυσικής στην έδρα Theodore και Frances Geballe στο Πανεπιστήμιο του Stanford. Πήρε το Nobel φυσικής το 1997 μαζί με τους TANNOUDJI και PHILLIPS. Ο Steven Chu γεννήθηκε το 1948 στο St. Louis, της πολιτείας Missouri. Ελαβε το Doctora του στη φυσική το 1976 στο Πανεπιστήμιο της California, στο Berkeley. Μεταξύ των άλλων βραβείων ο Chu έλαβε το 1993 το διεθνές βραβείο για την επιστήμη (φυσική) King Faisal για την ανάπτυξη της τεχνικής της ψύξης με τη βοήθεια laser και την παγίδευση.