Οι ατομικές παγίδες ανοίγουν νέους δρόμους στην φυσική. - 4ο μέρος

Οι ατομικές παγίδες ανοίγουν νέους δρόμους στην φυσική.

Είναι φανερό ότι έχουμε μάθει να μετακινούμε τα άτομα με μεγάλη ευκολία κατά βούληση, αλλά σε σε τι μας χρησιμεύουν όλα αυτά;
Με πολύ ψυχρά άτομα σε κατάσταση ατμών, οι φυσικοί είναι σε θέση να μελετήσουν πως αλληλεπιδρούν τα άτομα μεταξύ τους σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες.
Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, ένα άτομο συμπεριφέρεται σαν ένα κύμα του οποίου το μήκος είναι ίσο με τη σταθερά του Planck διαιρεμένη με την ορμή του σωματιδίου. Καθώς το άτομο ψύχεται, η ορμή του μειώνεται, και συνεπώς αυξάνεται το μήκος κύματός του. Σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες το μήκος κύματός του γίνεται συγκρίσιμο με τη μέση απόσταση μεταξύ των ατόμων. Σ' αυτές τις χαμηλές θερμοκρασίες και υψηλές πυκνότητες, η κβαντική θεωρία προβλέπει ότι ένα αξιοσημείωτο ποσοστό όλων των ατόμων θα συμπυκνωθεί σε μια θεμελιώδη κβαντική κατάσταση. Αυτή η ασυνήθης κατάσταση της ύλης που λέγεται συμπύκνωση Bose-Einstein, έχει προβλεφθεί αλλά δεν έχει παρατηρηθεί σε ατμούς ατόμων. Οι thomas J. Greytak και Daniel Kleppner του M.I.T και Jook T.M. Walravenτου πανεπιστημίου του Άμστερνταμ προσπαθούν να επιτύχουν μια τέτοια συμπύκνωση με μια συλλογή ατόμων υδρογόνου σε μια μαγνητική παγίδα. Συγχρόνως άλλες ομάδες προσπαθούν το ίδιο σε ένα δείγμα αλκαλικών ατόμων όπως πχ Καισίου ή Λιθίου, που έχουν υποστεί ψύξη με laser.

Οι τεχνικές καθοδήγησης των ατόμων προσφέρουν επίσης νέες ευκαιρίες στη φασματοσκοπία υψηλής ανάλυσης. Συνδυάζοντας πολλές τέτοιες τεχνικές, η ομάδα του Stanford έχει δημιουργήσει μια συσκευή η οποία θα επιτρέψει να μετρηθούν με ανυπέρβλητη ακρίβεια τα φασματικά χαρακτηριστικά των ατόμων. Έχουμε επινοήσει ένα συντριβάνι ατόμων που εκτοξεύει προς τα επάνω υπέρψυχρα άτομα πολύ απαλά ώστε να τα καθοδηγήσει η βαρύτητα. Τα άτομα από το συντριβάνι συλλέγονται από μια μαγνητοοπτική παγίδα για 0,5 δευτερόλεπτα. Μετά από αυτόν το χρόνο περίπου 10 εκατομμύρια άτομα εκτοξεύονται προς τα επάνω με ταχύτητα περίπου 2 μέτρα ανά sec. Στην κορυφή της τροχιάς τους, ένα άτομο ανιχνεύεται με δύο παλμούς μικροκυματικής ακτινοβολίας που απέχουν χρονικά. Αν η συχνότητα της ακτινοβολίας ρυθμιστεί κατάλληλα, οι δύο παλμοί αναγκάζουν το άτομο να μεταβεί από μια κβαντική κατάσταση σε μια άλλη. ( Ο Norman Ramsey κέρδισε το βραβείο Nobel στη φυσική το 1989 για την ανακάλυψη και εφαρμογή αυτής της τεχνικής.) Στο πρώτο μας πείραμα μετρήσαμε την ενεργειακή διαφορά μεταξύ δύο καταστάσεων ενός ατόμου με διακριτική ικανότητα: δύο μέρη στα εκατό δισεκατομμύρια.

Πως το συντριβάνι αυτό κάνει δυνατές τέτοιες μετρήσεις ακριβείας; Πρώτον τα άτομα πέφτουν ελεύθερα και είναι εύκολο να τα θωρακίσουμε από κάθε διαταραχή που θα μπορούσε να αλλάξει τα ενεργειακά επίπεδά τους. Δεύτερον, τέτοιες μετρήσεις περιορίζονται σε ακρίβεια από την αρχή απροσδιοριστίας του Heisenberg. Αυτή η αρχή επιβάλλει ότι η διακριτική ικανότητα (απροσδιοριστία) μιας ενεργειακής μέτρησης θα είναι της τάξης μεγέθους της σταθεράς του Planck διαιρεμένης με τη διάρκεια της μέτρησης. Στην περίπτωσή μας, ο χρόνος αυτός αντιστοιχεί στη διάρκεια μεταξύ των δύο παλμών μικροκυμάτων. Με ένα ατομικό συντριβάνι ο χρόνος μέτρησης για αδιατάρακτα άτομα μπορεί να είναι περίπου ένα δευτερόλεπτο, μια διάρκεια που είναι ανέφικτη για άτομα σε θερμοκρασία δωματίου.

Επειδή το ατομικό συντριβάνι επιτρέπει εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις των ενεργειακών σταθμών των ατόμων, μπορεί να είναι δυνατόν να προσαρμόσουμε τη συσκευή ώστε να κατασκευάσουμε ένα βελτιωμένο ατομικό ρολόι. Επι του παρόντος το παγκόσμιο πρότυπο χρόνου ορίζεται από την ενεργειακή διφορά μεταξύ δύο συγκεκριμένων ενεργειακών σταθμών στη θεμελιώδη κατάσταση του ατόμου του Κεσίου. Δύο χρόνια μετά το πρώτο ατομικό συντριβάνι, η ομάδα στην Ecole Normale χρησιμοποίησε ένα συντριβάνι για να μετρήσει το ρυθμό μετάβασης στο ρολόι του Κεσίου με μεγάλη ακρίβεια. Αυτά τα δύο πειράματα έδειξαν ότι ένα κατάλληλα σχεδιασμένο όργανο μπορούσε να μετρήσει την απόλυτη συχνότητα αυτής της μετάβασης με ακρίβεια ένα μέρος στα 10¹⁶ , 1000 φορές καλύτερα από την ακρίβεια των καλύτερων ρολογιών μας. Εμπνευσμένοι από αυτή την δυνατότητα, περισσότερες από επτά ομάδες προσπαθούν τώρα να βελτιώσουν το πρότυπο χρόνου βασισμένο στο Κέσιο με τη χρήση ενός ατομικού συντριβανιού.
Μια άλλη εφαρμογή που μελετάται εντατικά είναι η ατομική συμβολομετρία. Τα πρώτα ατομικά συμβολόμετρα κατασκευάστηκαν το 1991 από ερευνητές στα πανεπιστήμια Kostanz, M.I.T, Physikalisch-Technische Bundesanstalt και Stanford.

Ένα ατομικό συμβολόμετρο χωρίζει ένα άτομο σε δύο κύματα, χωρικά χωρισμένα. Τα δύο μέρη του ατόμου ανασυνδέονται στη συνέχεια και μπορούν να συμβάλλουν το ένα με το άλλο. Το απλούστερο παράδειγμα ενός τέτοιου διαχωρισμού συμβαίνει όταν ρυθμίσουμε το άτομο να περνάει μέσα από δύο σχισμές που απέχουν κατά λίγο. Αν το άτομο επανασυνδέεται μετά το πέρασμά του από τις σχισμές, τότε παρατηρούνται κροσσοί συμβολής όπως στη συμβολή των κυμάτων. Τα φαινόμενα συμβολής στα άτομα αποδεικνύουν ξεκάθαρα το γεγονός ότι η συμπεριφορά των χρειάζεται και την κυματική και την σωματιδιακή περιγραφή.

Το πιο σπουδαίο όμως είναι ότι, τα ατομικά συμβολλόμετρα προσφέρουν τη δυνατότητα της μέτρησης φυσικών φαινομένων με πολύ μεγάλη ευαισθησία. Στην πρώτη επίδειξη αυτής της ευαισθησίας, ο Mark Kasevich και εγώ δημιουργήσαμε ένα συμβολόμετρο που χρησιμοποιεί βραδέα άτομα. Τα άτομα χωρίζονταν και ξανασυνδέονταν σε ένα συντριβάνι. Με το όργανο αυτό έχουμε ήδη δείξει ότι η επιτάχυνση της βαρύτητας μπορεί να μετρηθεί με ακρίβεια τουλάχιστον 3 μέρη στα 100 εκατομμύρια, και περιμένουμε ακόμη βελτίση της ακρίβειας στο εκατονταπλάσιο σύντομα. Προηγούμενα τα αποτελέσματα της βαρύτητας στα άτομα είχαν μετρηθεί σε επίπεδο ακρίβειας περίπου 1 μέρος στα 100.