Τιθασεύοντας τον Μικρόκοσμο: Laser Cooling

Ο μικρόκοσμος είναι πολύ μικρών διαστάσεων, γι αυτό άλλωστε ονομάζεται και έτσι, κι αν περιοριστούμε στα άτομα, το μέγεθός τους δεν ξεπερνάει τα λίγα Angstrom, όπου 1 Angstrom ισούται με το 1/10 του εκατομμυριοστού του χιλιοστού. Για να πάρουμε μια ιδέα του μεγέθους τους, η διάμετρος μιας τρίχας μαλλιών θα μπορούσε να φιλοξενήσει έως και μερικές δεκάδες χιλιάδες άτομα αραδιασμένα το ένα δίπλα στο άλλο. Το να μπορέσεις να δεις τι συμβαίνει σε τέτοιες μικρές κλίμακες αποτελεί μεγάλη πρόκληση. Σήμερα, τόσο με τη θεωρία της κβαντικής μηχανικής που διατυπώθηκε ήδη από τις αρχές του αιώνα, όσο και με την εξέλιξη πειραματικών μεθόδων, με κυριότερες τις διαφόρων τύπων φασματοσκοπίες, οι γνώσεις μας για τα «θηρία» του μικρόκοσμου και πολλές είναι και ακριβείς.

Παρ’ όλα αυτά όμως, έλλειπε κάτι: η υποταγή τους. Δηλαδή η δυνατότητα του ανθρώπου να τα κάνει να πειθαρχούν στις βουλές του, με λίγα λόγια να μπορεί να πιάνει κάθε μικροσωματίδιο χωριστά, να το μετακινεί, να το πηγαίνει όπου αυτός θέλει και όχι όπου αυτό θέλει, να το παγώνει και να το σταματά.

Ας δούμε πόση πρόοδος έχει γίνει μέχρι τώρα α) ως προς την ακινητοποίηση ενός μοναχικού ατόμου και β) ως προς την κατά βούληση μετακίνησή του.

Ας δούμε πρώτα την α) περίπτωση

Έχετε σκεφτεί ποτέ πόση είναι η ταχύτητα ενός ατόμου ή μορίου στον αέρα, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, δηλαδή στους 25^ο C; Ούτε λίγο ούτε πολύ γύρω στα 1500 km/h. Τεράστια ε! Μεγαλύτερη ακόμα και απ’ αυτή του αεροπλάνου και μάλιστα του υπερηχητικού. Θα σας περνούσε ποτέ απ’ το μυαλό ότι θα υπήρχε τρόπος να φρενάρουμε αυτά τα σωματίδια, ας πούμε τα μόρια αζώτου που υπάρχουν μπόλικα στον αέρα, και να τα φέρουμε σε πλήρη στάση; Μια πρόχειρη λύση θα ήταν να τα βάλουμε σε κάποιο είδος ψυγείου, που θα μάζευε τη ζέστη και θα τη διοχετεύεται στο περιβάλλον. Αλλά τα ψυγεία δεν μπορούν να φτάσουν σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Άντε -10^o C , -20^o C. Όταν μιλάμε για στάση, μιλάμε για ακινητοποίηση, δηλαδή θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, δηλαδή γύρω στους -273^o C. Τώρα το πρόβλημα αρχίζει να γίνεται όντως δύσκολο και όπως καταλαβαίνετε χρειάζεται να βρεθεί ένας άλλος πιο έξυπνος τρόπος. Εδώ, θα ήθελα να διευκρινίσω ότι η θερμοκρασία ενός αερίου δεν είναι τίποτε άλλο παρά το αποτύπωμα της κινητικής του ενέργειας, με λίγα λόγια είναι ανάλογη του τετραγώνου της μέσης ταχύτητας των σωματιδίων που το απαρτίζουν. Έτσι θερμοκρασία και κινητική ενέργεια είναι όροι ισοδύναμοι.

Ο έξυπνος αυτός τρόπος βρέθηκε αρκετά χρόνια πριν, γύρω στο 1985, από τον κ. Steven Chu ο οποίος όχι μόνο πήρε το βραβείο Nobel στη Φυσική το 1997, αλλά και διορίστηκε πρόσφατα από τον Obama και στη θέση του Υπουργού Ενέργειας. Το καινοφανές αυτό ψυγείο χρησιμοποιεί αντί για μοτέρ, lasers, και η μέθοδος ονομάζεται Laser Cooling. Το κατόρθωμα είναι ότι εφαρμόζεται σε ουδέτερα άτομα, σ’ αυτά δηλαδή με συνολικό φορτίο μηδέν. Με τα φορτισμένα, δεν υπάρχει ιδιαίτερο πρόβλημα, μιας και κουμαντάρονται ευκολότερα με τα κατάλληλα ηλεκτρικά πεδία.

Ας δούμε λιγάκι τώρα τις βασικές αρχές πάνω στις οποίες στηρίζεται η λειτουργία του ιδιόρρυθμου αυτού ψυγείου.

Βασικό εργαλεία του πειράματος είναι το laser και ένα οποιοδήποτε ουδέτερο άτομο το οποίο θέλουμε να ακινητοποιήσουμε. Το laser είναι φωτεινή πηγή μεγάλης ισχύος, η οποία στο δευτερόλεπτο μπορεί να εκπέμπει έως και μερικά δισεκατομμύρια φωτόνια μιας και μοναδικής συχνότητας, ω_L. Τα φωτόνια ως γνωστόν δεν έχουν μάζα, έχουν όμως ορμή, οπότε όταν ένα φωτόνιο πέσει πάνω στο εν λόγω άτομο και απορροφηθεί, το άτομο θα υποστεί μια αλλαγή στην ορμή του, δηλαδή στην ταχύτητά του, μιας και η ορμή ισούται με το γινόμενο της μάζας του επί την ταχύτητα.

Για αρχή, ας υποθέσουμε ότι το άτομο είναι ελεύθερο να κινείται σε μια διάσταση, είτε προς την κατεύθυνση της ακτίνας του laser, είτε αντίθετα από αυτήν. Αν κινείται αντίθετα, δηλαδή προς το laser, τότε το φωτόνιο θα του δώσει ένα ελαφρύ σπρώξιμο (kick) προς τα πίσω, έχοντας σαν συνέπεια την ελάττωση της ορμής του ατόμου μας. Αν τώρα το άτομο κινείται κατά τη φορά της ακτίνας laser, τότε με το σπρώξιμο που θα του δώσει το φωτόνιο η ορμή του θα αυξηθεί, γεγονός το οποίο όμως θέλουμε να αποφύγουμε πάση θυσία. Δηλαδή, ό,τι χάνει σε ταχύτητα το άτομο κινούμενο προς τη μια κατεύθυνση, την κερδίζει κινούμενο προς την αντίθετη, οπότε δεν κερδίζουμε και τίποτα Τι κάνουμε λοιπόν;

Ένα μικρό κολπάκι... Αν το προσέξατε, πιο πάνω είπαμε ότι προϋπόθεση για να συμβεί οποιαδήποτε αλλαγή στην ταχύτητα του ατόμου, είναι το φωτόνιο που πέφτει επάνω του να μπορεί να απορροφηθεί. Εμείς όμως θέλουμε το άτομο να απορροφά το φωτόνιο μόνο όταν κινείται προς την κατεύθυνση της πηγής, διότι μόνο τότε ελαττώνεται η ταχύτητά του, και να το αγνοεί όταν κινείται αντίθετα. Εδώ λοιπόν μπαίνει το φαινόμενο Doppler. Είναι αυτό που μαθαίναμε στο σχολείο, όπου ένα κινούμενο ηχητικό σήμα, το ακούμε με μεγαλύτερη συχνότητα όταν έρχεται κατά πάνω μας, παρά όταν απομακρύνεται από μας. Το ίδιο ακριβώς ισχύει και για το φως.

Ως γνωστόν η κβαντική φυσική επιτρέπει στα άτομα ν’ απορροφούν μόνο όσα φωτόνια έχουν ορισμένη συχνότητα. Το laser λοιπόν, το διαλέγουμε ώστε να εκπέμπει σε μια από τις επιτρεπόμενες συχνότητες απορρόφησης του ατόμου, ω_L, αλλά βάζουμε και λίγο το χεράκι μας και την ελαττώνουμε κατά ένα μικρό ποσοστό, ίσο με τη συχνότητα Doppler, ω_D, έτσι ώστε η συχνότητα εκπομπής του laser να είναι τώρα ω_L-ω_D. Τότε, το άτομο που κινείται προς αυτό θα βλέπει τα φωτόνια να έχουν συχνότητα ω_L-ω_D+ω_D=ω_L, τα οποία και θα μπορεί να απορροφήσει, ενώ όταν το άτομο κινείται απομακρυνόμενο από το laser, θα βλέπει τα φωτόνια να έχουν συχνότητα ίση με ω_L-ω_D-ω_D=ω_L-2ω_D, οπότε και θα είναι σαν να μην τα βλέπει. Άρα τα φωτόνια θα σπρώχνουν το άτομο προς τα πίσω και θα μειώνουν την ταχύτητά του, μόνο όταν αυτό κινείται προς το laser.

Αν τοποθετήσουμε κι ένα δεύτερο laser αντικριστά με το πρώτο, και το βάλουμε να δουλεύει σε συχνότητα ω_L-ω_D, τότε κατορθώνουμε να ελαττώσουμε την ταχύτητα του ατόμου σε όποια κατεύθυνση και να κινείται στην ευθεία. Αν κάνουμε δε και μια υπερπαραγωγή από τρία ζευγάρια lasers, με το κάθε ζεύγος τοποθετημένο και σε μια διάσταση του τρισδιάστατου χώρου, τότε σε όποιο σημείο του και να βρεθεί το άτομο, κάποιο από τα lasers θα το πιάσει και θα το περιποιηθεί.

Μιας και με κάθε kick που δέχεται το άτομο από το φωτόνιο η ταχύτητά του ελαττώνεται κατά ένα απειροελάχιστο ποσοστό, ίσο περίπου με την ταχύτητα ενός χαλαρού μυρμηγκιού, υπολογίζουμε ότι χρειάζονται γύρω στα 20000 φωτόνια το άτομο για να ακινητοποιηθεί, γεγονός που επιτυγχάνεται σε κάποιο απειροελάχιστο κλάσμα του δευτερολέπτου. Γρήγορες και παστρικές δουλειές.

Το ερώτημα, πέρα από την επίδειξη ισχύος του ανθρώπου προς τη φύση, είναι τι τα κάνουμε τα σταθμευμένα άτομα; Πολλά. Έχω διαβάσει ότι φτιάχνουν έτσι πρώτης τάξεως ατομικά ρολόγια, αλλά αυτό που εκτιμώ περισσότερο, είναι ότι μπορείς έτσι να δεις ξεγύμνωτη τη κβαντική φύση του ατόμου και να κάνεις πάρα πολύ ακριβείς μετρήσεις για τις εσωτερικές ενεργειακές του καταστάσεις, κάτι που δεν μπορεί να επιτευχθεί σε υψηλότερες θερμοκρασίες όπου η άτακτη κίνηση των ατόμων που εμφανίζεται σαν θόρυβος στις φασματικές τους γραμμές, μπορεί να καλύπτει πολύ ενδιαφέροντα φαινόμενα.

Σχετικά τώρα με το β), δηλαδή με την κατά βούληση μετακίνηση ενός μόνο ατόμου ή μορίου θ' ασχοληθούμε σε επόμενο μάθημα!