Το 1997 η Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών απένειμε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής στους Steven Chu , Claude Cohen-Tannoudji και William D. Phillips για την ανάπτυξη μεθόδων ψύξης και παγίδευσης ατόμων με φως λέιζερ. Μια από αυτές τις μεθόδους ονομάστηκε ψύξη του Σισύφου γιατί η θεωρητική της ερμηνεία που βασίζεται στην Κβαντική Φυσική θυμίζει τον αρχαίο μύθο του Σισύφου.
Το φως ασκεί μηχανική δράση στα υλικά αντικείμενα, γεγονός που σημαίνει ότι μπορεί να μεταβάλλει την θέση και την ταχύτητά τους. Αυτή η μηχανική δράση του φωτός αξιοποιείται στην ψύξη και παγίδευση ατόμων με λέιζερ, με σκοπό είτε την μείωση της διασποράς των ταχυτήτων σε μια συλλογή ατόμων (ψύξη) είτε τον περιορισμό των ατόμων σε έναν μικρό όγκο (παγίδευση).
Μια σημαντική ανακάλυψη στο ζήτημα αυτό σημειώθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1980, όταν ο William Phillips ανέπτυξε νέες μεθόδους επιβράδυνσης μιας ταχείας ατομικής δέσμης. Το 1985, οι πρώτες αναφορές προήλθαν από πειράματα όπου η μέση ταχύτητα είχε μειωθεί από 1000 m/sec, σχεδόν στο μηδέν.
Για να επιτευχθεί η παγίδευση, το φως πρέπει να προκαλέσει μια δύναμη που εξαρτάται από την θέση των ατόμων (σε αντίθεση με την ψύξη που απαιτεί μια δύναμη που εξαρτάται από την ταχύτητα). Έχουν σχεδιαστεί διαφορετικοί τύποι ατομικής παγίδας. Μία συχνά χρησιμοποιούμενη είναι η Μαγνητο-Οπτική Παγίδα (MOT). Σε μια MOT, η παγίδευση επιτυγχάνεται με τρία ζεύγη ακτίνων λέιζερ αντίθετης διάδοσης και ένα ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο
Οπτική μελάσα
Το επόμενο σημαντικό επίτευγμα σημειώθηκε την ίδια χρονιά, όταν ο Steven Chu έψυξε άτομα και στις τρεις διαστάσεις, χρησιμοποιώντας την μέθοδο της ψύξης Doppler με τρία ζεύγη ακτίνων λέιζερ αντίθετης διάδοσης. Σε αυτή τη διάταξη, ένα άτομο, ανεξάρτητα από την κατεύθυνση της κίνησής του, υπόκειται σε μια δύναμη τριβής. Με αυτόν τον τρόπο, μειώνεται η διασπορά των ταχυτήτων (και κατ’ επέκταση η θερμοκρασία). Η δράση του φωτός λέιζερ στα άτομα είναι παρόμοια με αυτή ενός κολλώδους μέσου, γεγονός που οδήγησε στον όρο οπτική μελάσα.
Οι πρώτες οπτικές μελάσες παρατηρήθηκαν το 1985 από τον Steve Chu και την ομάδα του στο Στάνφορντ. Πραγματοποίησαν μια γρήγορη μέτρηση της θερμοκρασίας των ατόμων και όλα έδειχναν να συμφωνούν με τις προβλέψεις της θεωρίας. Αλλά λίγα χρόνια αργότερα, η ομάδα του Bill Phillips στην Ουάσιγκτον πραγματοποίησε μια πολύ πιο ακριβή μέτρηση αυτής της θερμοκρασίας και παρήγαγε κάτι που είναι πολύ σπάνιο (δυστυχώς!) στην επιστήμη: το πείραμα προχώρησε πολύ καλύτερα από ό,τι προβλεπόταν – οι θερμοκρασίες που επιτεύχθηκαν ήταν τουλάχιστον δέκα φορές χαμηλότερες από τις προβλέψεις της θεωρίας.
Στην πράξη, η ομάδα του Phillips μέτρησε την κατανομή της ταχύτητας των ατόμων και, όπως είναι γνωστό, η ταχύτητα και η θερμοκρασία συνδέονται στενά. Για να αποκτήσουν πρόσβαση σ’ αυτή την κατανομή, οι ερευνητές της Ουάσιγκτον άφησαν τα άτομα να «πέσουν» σβήνοντας όλες τις δέσμες λέιζερ που δημιουργούσαν την οπτική μελάσα, και μέτρησαν πώς το νέφος των ατόμων διαχεόταν καθώς τα άτομα του νέφους «έπεφταν» λόγω βαρύτητας. Έτσι παρατήρησαν ότι η θερμοκρασία του αερίου ήταν πολύ πιο χαμηλή – ότι δηλαδή το νέφος δεν διαχεόταν τόσο όσο προέβλεπε η θεωρία της ψύξης με το φαινόμενο Doppler.
Στη συνέχεια, οι Jean Dalibard, Claud Cohen-Tannoudji, Yvan Castin, Klaus Moelmer και Kirstine Berg-Soerensen, διερωτήθηκαν πώς να εξηγήσουν αυτές τις εκπληκτικά χαμηλές θερμοκρασίες. Ξεκίνησαν από το γεγονός ότι τα άτομά μας, όταν είναι βυθισμένα σε μια οπτική μελάσα, μπορούν να προετοιμαστούν σε πολλές διαφορετικές θεμελιώδεις μαγνητικές υποστάθμες, δηλαδή με πολλούς διαφορετικούς προσανατολισμούς της μαγνητικής τους ροπής. Όταν λοιπόν το άτομο αλληλεπιδρά με ένα πεδίο φωτός, όλες αυτές οι υποστάθμες δεν συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο: η ενέργειά τους εξαρτάται από τη θέση τους στον χώρο και το φως δημιουργεί ένα περιοδικό τοπίο με «λόφους» και «κοιλάδες» δυναμικού. Έτσι, εκεί όπου μια υποστάθμη θεμελιώδους κατάστασης «βλέπει» μέγιστο (μια κορυφή) δυναμικού, μια άλλη μπορεί να βλέπει ελάχιστο (μια κοιλάδα δυναμικού).
Αυτό που μπορούμε να δείξουμε είναι ότι, στις οπτικές μελάσες και υπό κατάλληλες πειραματικές συνθήκες, το άτομο «ανεβαίνει» περισσότερους λόφους από όσους «κατεβαίνει». Με άλλα λόγια, όταν το άτομο βρίσκεται σε μια θεμελιώδη υποστάθμη και έχει ανέβει έναν λόφο δυναμικού, το φως1 μπορεί να το μεταφέρει σε μια άλλη υποστάθμη, η οποία όμως βρίσκεται στο βάθος μιας κοιλάδας δυναμικού.2 Το άτομο αναγκάζεται έτσι να ανέβει εκ νέου έναν λόφο δυναμικού και, όταν περνάει από το μέγιστο, ξαναπέφτει στο βάθος μιας κοιλάδας δυναμικού, κ.λπ. Ουσιαστικά το άτομο περνάει τον χρόνο του σκαρφαλώνοντας λόφους δυναμικού3 και χάνοντας έτσι ενέργεια. Για τον λόγο αυτό ονόμασαν το φαινόμενο «φαινόμενο του Σίσυφου», παραπέμποντας στον ήρωα της ελληνικής μυθολογίας που καταδικάστηκε, για την ύβρη του, να σπρώχνει αενάως έναν βράχο από το βάθος μιας κοιλάδας μέχρι την κορυφή του βουνού.
Καταλαβαίνουμε φυσικά ότι υπάρχει ένα όριο σ’ αυτή την ψύξη του Σίσυφου: όταν το άτομο δεν έχει πια αρκετή ενέργεια για να σκαρφαλώσει στον λόφο του δυναμικού που έχει μπροστά του, παραμένει παγιδευμένο στο βάθος της κοιλάδας. Έχουμε αποδείξει ότι οι θερμοκρασίες που πετυχαίνουμε με το φαινόμενο του Σισύφου είναι πολύ πιο χαμηλές από τις προβλεπόμενες με την ψύξη Doppler, εξηγώντας έτσι τα πειραματικά αποτελέσματα του Bill Phillips. Η θερμοκρασία στην οποία τα άτομα ψύχονται είναι αυτή που ονομάζουμε ενέργεια ανάκρουσης, είναι η κινητική ενέργεια που αποκτά το άτομο όταν απορροφά ή εκπέμπει ένα μόνο φωτόνιο. Αυτό επαληθεύθηκε πειραματικά στη συνέχεια από τον Jean Dalibard, τον Christophe Salomon και όλη την ομάδα τους.
Επιπλέον μπορεί κανείς να αναρωτηθεί εάν αυτό το όριο της ενέργειας ανάκρουσης είναι το απόλυτο όριο. Η απάντηση είναι όχι, μπορούμε να τα καταφέρουμε ακόμα καλύτερα: μέσω μηχανισμών ψύξης όπου η ενέργεια του ατόμου είναι χαμηλότερη από την ενέργεια ανάκρουσης, όπως έδειξαν οι Claude Cohen-Tannoudji, Alain Aspect, Michele Leduc, Christophe Salomon, Jacob Reichel, για να μη μνημονεύσουμε μόνο τους Γάλλους. Σε κάθε περίπτωση, η ψύξη του Σίσυφου παραμένει η κυρίαρχη μέθοδος στα εργαστήρια διότι είναι απλή στην υλοποίησή της και αξιόπιστη.
(1) Το άτομο χάνει με τον τρόπο αυτόν σταδιακά την κινητική του ενέργεια.
(2) Μέσω της οπτικής άντλησης.
(3) Στο ίδιο σημείο στον χώρο η νέα υποστάθμη έχει χαμηλότερη ενέργεια από την προηγούμενη.
Πηγές: 1. The Nobel Prize in Physics 1997 – https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1997/illustrated-information 2. Jean Dalibard, «Παγιδεύοντας τα άτομα», πρόλογος – μετάφραση Χαρά Πετρίδου, εκδόσεις εκκρεμές – https://www.ekkremes.gr/portal/my_pages/bookdetails.php?id=185
Κατηγορίες:ΑΤΟΜΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ
physicsgg 
Σχολιάστε