Vyhlasovanie súťaže o najlepšiu vedeckú fotografiu britskej grantovej ceny EPSRC nesledujú zvyčajne agentúrni spravodajcovia so zatajeným dychom. Avšak víťazná fotografia tento rok vo februári vyhláseného ročníka zaujala a rýchlo sa objavila v médiách po celom svete, informuje Technet.
Vydal ju postgraduálny študent David Nadlinger z Oxfordskej univerzity a povedzme rovno, že neukazuje nič prevratné. Sľubuje naopak niečo, čo si dokáže predstaviť každý laik: atóm viditeľný očami - či presnejšie obyčajným fotoaparátom. (Autor použil Canon 5D Mk II, objektív EF 50mm f / 1.8.)
Nájdete ho v samotnom strede obrázku. Bodka, ktorú vidíte, je skutočne odraz svetla od jediného atómu stroncia v zhruba dvojmilimetrovej medzere medzi hrotmi "pasce", ktorá ho drží na mieste. Ako je to možné?
Povedzme rovno pre istotu, že ide vlastne o ilúziu. Stroncium samozrejme nemá atómy veľké tak, aby boli viditeľné voľným okom. Na pomery atomárneho sveta teda rozhodne nie sú malé, ale aj tak sa ich veľkosť meria na zlomky nanometrov (cca 0,251x10-9 metra), je zhruba desaťtisíckrát menší ako najmenší objekt, ktorý reálne môže ľudské oko zahliadnuť.
Atóm v centre obrázku je osvetlený modrým laserovým svetlom a my vidíme žiaru odrazeného svetla. Ktorého je však málo, a preto bola snímka odfotografovaná s 30 sekundovou expozíciou. Je to podobné ako u hviezd na oblohe: aj tie sú v skutočnosti vlastne menšie ako obraz, ktorý vytvára naše oko a mozog.
Ako chytiť atóm do pasce
Z vedeckého hľadiska snímka neobsahuje žiadne prekvapivé informácie a nič nové z neho nejde vyčítať. Ale to neznamená, že zachytáva nezmyselný pokus. Zachytenie jednotlivých atómov je veľmi zaujímavá technika, vďaka ktorej sa o ich správaní a vlastnostiach môžeme dozvedieť veľa zaujímavého.
Už niekoľko desaťročí sa k tomu v laboratóriách používajú pasce tvorené elektromagnetickým poľom vo vákuovej komore. Samozrejme pasca nefunguje pre neutrálne atómy, ale výhradne na ióny. Ich "výroba" prebieha ožarovaním prúdu neutrálnych atómov stroncia laserom. Atóm v podstate drží na mieste kombinácia polí vytváraných "hrotmi" (elektródami) po stranách snímky a predovšetkým elektród nad a pod ním. Teda, aby som neboli úplne nepresní: atómy samozrejme nestoja, v podstate "vibrujú" zhruba na rovnakom mieste.
Grafické znázornenie tvaru elektromagnetického poľa, ktorý väzní atómy v iónovej pasce. Elektródy (celkom štyri, jedna nie je príliš vidieť) sú znázornené ako červené plochy. Atóm "sedí" zhruba v mieste vyznačenom červeným krúžkom. Na prvý pohľad to nevyzerá ako príliš stabilná poloha, ale v skutočnosti pole veľmi rýchlo osciluje - prepína sa s frekvenciou niekoľkých megahertzov. V tú chvíľu už "sedlo", kde sa atóm nachádza, je pre neho stabilným útočiskom. Úplne rovnaký jav by ste mohli vidieť v praxi s loptou a jazdeckým sedlom. Ak sedlo stojí, lopty na neho nepostavíte. Ak by ste ho však správne roztočili okolo stredu, lopta sa na ňom udrží. Ak neveríte, nájdite si na YouTube napríklad výraz "Rotating Saddle".
Svetlo, ktoré sa na atóme odráža, a vďaka ktorému ho môžeme vidieť, dodáva hustá sieť modrých laserov (vlnová dĺžka je presne 397 nanometrov). Tie neslúžia v pasci k osvetľovaniu, primárne majú za účel zachytené atómy schladiť na teplotu z laického pohľadu v podstate rovné absolútnej nule. To ich naďalej "upokojí" (zníži ich kinetickú energiu), aby bolo možné potom s atómami manipulovať, napríklad pre potreby výskumu kvantových výpočtových postupov atp.
Chladenie atómov laserom je technicky veľmi komplikovaná záležitosť, ktorá vyžaduje nielen šikovný prístup, ale aj extrémnu pracovitosť a presnosť. Zachytené ióny prichádzajú o energiu pri zrážkach s fotónmi laserového svetla - veľmi podobne ako vy prídete o energiu, keď pre vás v behu niekto hodí futbalovú loptu. Jeden vás nespomalí príliš, ale keď ich bude dosť, udržia vás na mieste.
Frekvencia lasera musí byť úplne presne "vyladená", a to s presnosťou na jednu stotisícinu percenta. Inak fotón atómom preletí bez efektu.
Avšak presne naladiť rezonančnú frekvenciu iónu, ktorý chcete zachytiť, nestačí. Objavuje sa totiž iný problém: ak fotón poletí proti atómu vo chvíli, keď sa ten pohne opačným smerom, zrážka atóm spomalí (a ochladí). Ale čo keď sa atóm práve pohne opačným smerom, smerom od lasera? V tej chvíli ho predsa zrážka urýchli...
Pretože smer pohybu atómu sa v danej chvíli nedá predpovedať, zdá sa to ako neriešiteľný problém. Riešenie však samozrejme existuje a je ním využitie tzv. Dopplerovho javu. Ten hovorí, že frekvencia žiarenia sa mení podľa smeru, ktorým sa pri pozorovaní pohybujete. Inými slovami: keď sa dostatočne rýchlo blížite k zdroju svetla/zvuku, bude vyzerať/znieť inak, ako keď pôjdete (znovu dostatočne rýchlo, aby bol efekt dosť výrazný) smerom od neho. Jedno veľmi jednoduché prirovnanie hovorí, že je to ako s autami na diaľnici: aj keď je áut v oboch smeroch rovnako, cestou miniete viac áut v protismere ako v tom vašom. Keby ste ale stáli na moste nad diaľnicou, videli by ste ich rovnako.
Laser je tak vyladený tesne pod rezonančnú frekvenciu zachyteného iónu (teda v prípade snímky stroncia). Ión ho tak pohltí len v prípade, že sa práve pohybuje proti prúdu laserových fotónov a frekvencia lasera sa z jeho hľadiska zvýši. Inak ho bude ignorovať.
Samozrejme v praxi to je ešte podstatne zložitejšie ako na papieri. Naučiť sa postaviť a správne prevádzkovať iónovou pascu s takmer dokonalým vákuom, chladením na extrémne nízke teploty a správne nastavenou laserovou sieťou nie je nič triviálne. Ale keď už sa vám to podarí, môžete vyfotiť aj svetlo odrážajúce sa od jedného jediného atómu.