Vyfotil jeden jediný atom. Stačil běžný foťák a složitá past

aktualizováno 
Atomy jsou pouhým okem neviditelné, to víme všichni. Ale pokud je správně nasvítíte a připravíte pro ně vhodné „pódium“, situace se trochu změní.

Snímek zachycující jediný atom stroncia v tzv. iontové pasti. Atom je uprostřed mezery mezi dvěma hroty ve středu obrázku. Pro představu, skutečná délka mezery je cca 2,3 milimetru. | foto: David Nadlinger, Oxford Univesity

Vyhlašování soutěže o nejlepší vědeckou fotografii britské grantové ceny EPSRC (viz Wikipedie) nesledují obvykle agenturní zpravodajové se zatajeným dechem. Ovšem vítězná fotografie letos v únoru vyhlášeného ročníku zaujala a rychle se objevila v médiích po celém světě.

Pořídil ji postgraduální student David Nadlinger z Oxfordské univerzity a řekněme rovnou, že neukazuje nic převratného. Slibuje naopak něco, co si dokáže představit každý laik: atom viditelný očima - či přesněji obyčejným fotoaparátem. (Autor použil Canon 5D Mk II, objektiv EF 50mm f/1.8.)

Najdete ho v samotném středu obrázku. Tečka, kterou vidíte, je skutečně odraz světla od jediného atomu stroncia ve zhruba dvoumilimetrové mezeře mezi hroty „pasti“, která ho drží na místě. Jak je to možné?

Řekněme rovnou pro jistotu, že jde vlastně o iluzi. Stroncium samozřejmě nemá atomy velké tak, aby byly vidět pouhým okem. Na poměry atomárního světa tedy rozhodně nejsou malé, ale i tak se jejich velikost měří na zlomky nanometrů (cca 0,251x10-9 metru), je zhruba desettisíckrát menší než nejmenší objekt, který reálně může lidské oko zahlédnout.

Detail snímku jediného atomu stroncia v tzv. iontové pasti.

Atom v centru obrázku je osvětlený modrým laserovým světlem a my vidíme záři odráženého světla. Kterého je ovšem málo, a proto byl snímek pořízen s 30sekundovou expozicí. Je to podobné jako u hvězd na obloze: i ty jsou ve skutečnosti vlastně menší než obraz, který vytváří naše oko a mozek. 

Jak chytit atom do pasti

Z vědeckého hlediska snímek neobsahuje žádné překvapivé informace a nic nového z něj nejde vyčíst. Ale to neznamená, že zachycuje nesmyslný pokus. Zachycení jednotlivých atomů je velmi zajímavá technika, díky které se o jejich chování a vlastnostech můžeme dozvědět spoustu zajímavého.

Už několik desetiletí se k tomu v laboratořích používají pasti tvořené elektromagnetickým polem ve vakuové komoře. Samozřejmě past nefunguje pro neutrální atomy, ale výhradně na ionty. Jejich „výroba“ probíhá ozařováním proudu neutrálních atomů stroncia laserem. Atom v podstatě drží na místě kombinace polí vytvářených „hroty“ (elektrodami) po stranách snímku a především elektrod nad a pod ním. Tedy, abych nebyli úplně nepřesní: atomy samozřejmě nestojí, v podstatě „vibrují“ zhruba na stejném místě. 

Grafické znázornění tvaru elektromagnetického pole, který vězní atomy v iontové...

Grafické znázornění tvaru elektromagnetického pole, který vězní atomy v iontové pasti. Elektrody (celkem čtyři, jedna není příliš vidět) jsou znázorněné jako červené plochy. Atom „sedí“ zhruba v místě vyznačeném červeným kroužkem. Na první pohled to nevypadá jako příliš stabilní poloha, ale ve skutečnosti pole velmi rychle osciluje - přepíná se s frekvencí několika megahertzů. V tu chvíli už „sedlo“, kde se atom nachází, je pro něj stabilním útočištěm. Úplně stejný jev byste mohli vidět v praxi s míčem a jezdeckým sedlem. Pokud sedlo stojí, míče na něj nepostaví. Pokud byste ho ovšem správně roztočili kolem středu, míč se na něm udrží. Pokud nevěříte, najděte si na YouTube třeba výraz „Rotating Saddle“. A ještě dodejme, že dvě boční elektrody, které na snímku nejsou, pracují se stejnoměrným napětím, jsou to v podstatě takové „špunty“ na obou koncích pasti.

Světlo, které se na atomu odráží, a díky kterému ho můžeme vidět, dodává hustá síť modrých laserů (vlnová délka je přesně 397 nanometrů). Ty neslouží v pasti k osvětlování, primárně mají za účel zachycené atomy zchladit na teploty z laického pohledu v podstatě rovné absolutní nule. To je nadále „zklidní“ (sníží jejich kinetickou energii), aby bylo možné pak s atomy manipulovat, například pro potřeby výzkumu kvantových výpočetních postupů atp.

Chlazení atomů laserem je technicky velmi komplikovaná záležitost, která vyžaduje nejen chytrý přístup, ale také extrémní pečlivost a přesnost. Zachycené ionty přicházejí o energii při srážkách s fotony laserového světla - velmi podobně jako vy přijdete o energii, když pro vás v běhu někdo hodí fotbalový míč. Jeden vás nezpomalí moc, ale když jich bude dost, udrží vás na místě. 

Frekvence laseru musí být naprosto přesně „vyladěna“, a to s přesností na jednu stotisícinu procenta. Jinak foton atomem proletí bez efektu.

Ovšem přesně naladit rezonanční frekvenci iontu, který chcete zachytit, nestačí. Objevuje se totiž jiný problém: pokud foton poletí proti atomu ve chvíli, kdy ten se pohne opačným směrem, srážka atom zpomalí (a ochladí). Ale co když se atom zrovna pohne opačným směrem, směrem od laseru? V tu chvíli ho přece srážka urychlí...

Protože směr pohybu atomu v danou chvíli nejde předpovídat, zdá se to jako neřešitelný problém. Řešení ovšem samozřejmě existuje a je jím využití tzv. Dopplerova jevu. Ten říká, že frekvence záření se mění podle směru, kterým se při pozorování pohybujete. Jinými slovy: když se dostatečně rychle blížíte ke zdroji světla/zvuku, bude vypadat/znít jinak, než když pojedete (znovu dostatečně rychle, aby byl efekt dost výrazný) směrem od něj. Jedno velmi jednoduché přirovnání říká, že je to jako s auty na dálnici: i když je aut v obou směrech stejně, cestou minete více aut v protisměru než v tom vašem. Kdybyste ale stáli na mostě nad dálnicí, viděli byste jich stejně.

Laser je tak vyladěný těsně pod rezonanční frekvenci zachyceného iontu (tedy v případě snímku stroncia). Iont ho tak pohltí jen v případě, že se zrovna pohybuje proti proudu laserových fotonů a frekvence laseru se z jeho hlediska zvýší. Jinak ho bude ignorovat.

Samozřejmě v praxi to ještě podstatně složitější než na papíře. Naučit se postavit a správně provozovat iontovou past s téměř dokonalým vakuem, chlazením na extrémně nízké teploty a správně nastavenou laserovou sítí není nic triviálního. Ale když už se vám to podaří, můžete vyfotit i světlo odrážející se od jednoho jediného atomu.

Autor:


Nejčtenější

Jeho fotky jsou až neskutečně nádherné. Podívejte se, jak vznikají

Kalendář 43. výsadkového praporu - Nic nepotěší potápěče průzkumného týmu po...

Jeho fotky výsadkářů z Chrudimi viděl téměř každý. Vypadají jako vystřižené z toho nejdražšího hollywoodského akčního...

Nelíbí se mi, kam se internet vydal, říká vynálezce WWW. Chce to změnit

Tim Berners-Lee představuje vizi nového, decentralizovaného internetu...

V roce 1990 spustil první webový server a odstartoval tak revoluci. Díky němu se internet rozšířil do celého světa, do...



Sedm častých lží, mýtů a omylů o přechodu na nové televizní vysílání

V roce 2020 budou mít sběrné dvory napilno.

Mnoho lidí se v blížící se změně vysílacího standardu neorientuje, a tak se snadno může klamavou nabídkou či...

Podívejte se, kdy vám vypnou současné televizní vysílání a co s tím udělat

Nelamte si s DVB-T2 hlavu. Vše podstatné se dozvíte níže.

Současné pozemní digitální televizní vysílání má před sebou poslední měsíce života. První vysílače budou vypnuty již...

Start lodě Sojuz MS-10 se nezdařil, modul s posádkou nouzově přistál

Start Sojuzu MS-10 z Bajkonuru 11. října 2018.

Čtvrteční start lodě Sojuz MS-10 z kosmodromu Bajkonur v Kazachstánu se nezdařil. Kvůli závadě na nosné raketě Sojuz...

Další z rubriky

Nobelovku za fyziku získali odborníci na lasery. Za pinzetu i operace očí

Arthur Ashkin, Gérard Mourou a Donna Stricklandová, laureáti Nobelovy ceny za...

Nositeli Nobelovy ceny za fyziku se stali Američan Arthur Askhin, Gerard Mourou z Francie a Kanaďanka Donna...

Úplně nový typ léku. Nobelovu cenu získali „bojovníci“ proti rakovině

Nobelova cena za medicínu udělaná v roce 1962 Francisu Crickovi za jeho podíl...

Nobelovu cenu za medicínu získali Američan James Allison a Japonec Tasuko Honjo, jejichž výzkum otevírá nové možnosti v...

Návrat „imperialistického brouka“? Výzkumný program USA vzbudil obavy

Program „Hmyzí spojenci“ má změnit škůdce v pomocníky v zemědělství.

Skupina vědců v časopise Science varuje před možným zneužitím amerického výzkumného programu, který vyvíjí zcela nový...

Vyhrajte jednu z poukázek na 500 nebo 1 000 Kč na nákup ve Fresh Corner a MOL
Vyhrajte jednu z poukázek na 500 nebo 1 000 Kč na nákup ve Fresh Corner a MOL

V době od 15. 10. 2018 00:00 do 21. 10. 2018 23:59 odpovězte komentářem pod text soutěže na otázku: „Čím zabavujete svoje dítko při dlouhých cestách autem?“ Vyhrajte jednu z tankovacích karet v hodnotě 500 Kč, nebo 1000 Kč na nákup pohonných hmot i občerstvení na čerpacích stanicích MOL v konceptu Fresh Corner.



Najdete na iDNES.cz