Říjen 2005

Fantastický svět blízko absolutní nuly

Jan Novák

Při teplotě pod minus 271 stupňů Celsia se náhle kapalné hélium začne šplhat po stěnách laboratorní nádoby. Není to tak dávno, co se děti ve škole učily o třech skupenstvích hmoty. Později k pevnému, kapalnému a plynnému skupenství přibyla ještě plazma. Od počátku dvacátého století ale někteří fyzikové tušili, že tím to nekončí.

Nedávno vědci prokázali to, co někteří teoretikové již dříve předpovídali. Při teplotách blízkých absolutní nule nabývá hmota exotické formy, které vedle fyzikální zajímavosti mohou nabídnout i perspektivy praktického využití.

"Představte si orchestr, v němž každý hraje vlastní melodii a až po chvíli začnou všichni podle dirigenta. V normální hmotě si také každý atom dělá co chce. Ale když hmotu ochladíme na teplotu blízkou absolutní nule, začnou se chovat podle dirigenta - zákonů kvantové mechaniky. V té chvíli všechny atomy - obrazně řečeno - rázem hrají stejnou melodii," přibližuje podstatu Bose-Einsteinova kondenzátu profesor Moses Chan z Pennsylvania State University.

Tekutá tuhá hmota

Už koncem minulého století vědci zkoumají podivuhodné vlastnosti hmoty při teplotách zlomků stupně nad absolutní nulou. Moses Chan a jeho spolupracovník Eun-Seong Kim nedávno dokázali, že vedle supratekutosti existuje v těchto extrémních podmínkách i cosi jako "supertuhost".

Na zařízení zvaném torzní oscilátor, které rychle mění směr rotace, umístili zmražený krystal izotopu hélia He4. Když snížili teplotu na méně než dvě desetiny stupně nad absolutní nulu, oscilátor se náhle začal chovat, jako by část jeho "nákladu" zmizela. Po zvýšení teploty se hélium-4 zdánlivě opět "vrátilo" na své místo. "Máte penízek a položíte jej na osu talíře starého gramofonu," přibližuje pokus nositel Nobelovy ceny Anthony Leggett. "Bude se točit stejným směrem jako gramofon? Pokud bude ,penízek` z hélia-4 ochlazeného na velmi nízkou teplotu, pak v žádném případě."

Helium-4 mělo vlastnosti supratekuté kapaliny, přestože nepřestalo být pevnou látkou. Na první pohled protimluv - ale ve světě kvantové mechaniky zdaleka ne jediný.

Podivné vlastnosti hmoty při velmi nízkých teplotách, kdy se uplatní zákony kvantové mechaniky, předpověděli už ve 20. letech minulého století Satyendra Bose a Albert Einstein. Ve 30. letech pozoroval ruský fyzik Pjotr Kapica, že při teplotě pod minus 271 stupňů Celsia se kapalné hélium začne náhle šplhat po stěnách nádoby. Za objev dostal v roce 1938 Nobelovu cenu.

Pro vytvoření Bose-Einsteinova kondenzátu, kdy se atomy "mraženého" souboru chovají jako jeden velký atom (mají jediný, a to nejnižší možný energetický stav) bylo třeba ještě nižších teplot. Poprvé se to podařilo roku 1995 na University of Colorado Ericu Cornellovi a Carlu Wiemanovi se dvěma tisíci atomy rubidia ochlazeného na 180 nanokelvinů. Od té doby se vědci snaží přivést do tohoto stavu stále více stále složitějších atomů či dokonce molekul na stále delší a delší dobu.

K čemu je to dobré?

Na otázku, proč vytvářet tak exotickou formu hmoty, fyzik nepochybně a správně odpoví, že to má především obrovský poznávací význam. Už samo potvrzení někdejších teorií posouvá vědu o kus dopředu a otevírá jí další možnosti. Rotující Bose-Einsteinův kondenzát může být například využit jako model chování světla v černé díře. Badatelé jej pro jeho unikátní vlastnosti použili také k pokusům s tzv. zpomalováním světla. Masa velkého množství atomů, které mají stejné kvantové charakteristiky, vytváří pro světelný puls (velmi zjednodušeně řečeno) takové optické prostředí, v němž jej lze "zmrazit" a pak jiným pulsem zase "oživit".

I když to pořád ještě vypadá jako poněkud předimenzované hrátky infantilních vědátorů, právě v tomto bodě to začíná být významné i pro lidi, které zajímá jen to, co se maže na chleba. Tyto schopnosti Bose-Einsteinova kondenzátu by totiž bylo možné využít nejen pro vytváření paměťových médií, ale především v tzv. kvantových počítačích. Jde o přístroje, které už nepracují s bity (mají hodnotu buď "jedna" nebo "nula") jako dnešní PC, ale s kvantovými bity (qubity) nabývající libovolné hodnoty mezi jedničkou a nulou. Ale nejen to: v souladu se zdánlivě bizarními zákony kvantové mechaniky může mít qubit dokonce všechny tyto hodnoty najednou. Lze tak zpracovávat paralelně větší množství informací současně.

Mnozí odborníci soudí, že kvantové počítače budou v informatice znamenat stejnou revoluci jako přechod od koní k lokomotivě. Úspěchy při výzkumu Bose-Einsteinova kondenzátu snad tuto revoluci podstatně přiblíží. A ve vzdáleném časovém horizontu mohou mít i celou řadu dalších využití, která dnes ještě nedovedeme ani odhadnout, protože výzkum je teprve v samých počátcích. Fyzikové například upozorňují, že Bose-Einsteinův kondenzát má mnoho společného s laserem. Odvozují z toho, že kondenzát by mohl najít využití v přesných měřicích přístrojích, nebo v nanotechnologiích.

"Představte si, že jste na Tahiti před čtyřmi stoletími a ke břehu připlula ledová kra," vysvětlují odborníci z University of Colorado, kde Bose-Einsteinův kondenzát vytvořili poprvé na světě. "Nikdy předtím jste led neviděli, a tak vás ani nenapadne, že by s jeho pomocí šlo udělat báječnou zmrzlinu, uchovat ryby z úlovku a spoustu dalších užitečných věcí. S Bose-Einsteinovým kondenzátem je to dnes stejné. Ale rychle se blíží doba, kdy akcie firem usilujících o praktické zhodnocení jeho výzkumu budou velmi dobrá investice."

(Lidové noviny, www.lidovky.cz)