Kvantové plyny, v nichž se projevují neobyčejné kvantové jevy, byly v 90. letech 20. století podrobeny pečlivému zkoumání, protože poskytují možnost studia kvantového systému, v němž lze nastavovat interakce mezi atomy podle přání výzkumníka. Ochlazené plyny nejsou všechny stejné. Ochlazené bosonové atomy (s celkovým celočíselným spinem) mohou přejít do jediného společného kvantového stavu. Tento stav se označuje jako Boseův-Einsteinův kondenzát. Boseův-Einsteinův kondenzát byl poprvé pozorován v roce 1995 pro bosonové atomy rubidia v NIST, pro atomy lithia v Rice University a pro atomy sodíku v MIT.

Naproti tomu fermionové atomy (s celkovým poločíselným spinem) nemohou přejít do společného kvantového stavu. Brání tomu Pauliho vylučovací princip, podle něhož žádné dva fermiony nemohou být ve stejném kvantovém stavu. V atomu se každý elektron musí od ostatních odlišovat některým z kvantových čísel. Hlavní kvantové číslo určuje hladinu energie, vedlejší kvantové číslo určuje velikost momentu hybnosti, magnetické kvantové číslo určuje projekci momentu hybnosti do libovolné osy (magnetický moment) a spin určuje vlastní úhlový moment. Pauliho vylučovací princip proto určuje vlastnosti chemických vazeb.

Fermionové atomy však mohou změnit svoji kvantovou podstatu nahromaděním do všech možných kvantových stavů energie, které okolní teplota v atomové pasti umožňuje. Tohoto výsledku bylo dosaženo v roce 1999 jinou výzkumnou skupinou v NIST. V roce 2002 se podařilo vytvořit Boseovy-Einsteinovy kondenzáty z molekul bosonových atomů rubidia. V listopadu 2003 dvě výzkumné skupiny oznámily, že vytvořily Boseovy-Einsteinovy kondenzáty z molekul dvojic fermionových atomů. Připomeňme, že dvojice fermionových atomů, které mají poločíselný spin, vytvářejí bosonové molekuly s celočíselným spinem. Rudolf Grimm a jeho kolegové z Univerzity v Innsbrucku (publikováno online koncem listopadu 2003 v časopise Science) použili atomy lithia. Deborah Jin a její kolegové z NIST (publikováno online v časopise Nature) použili atomy draslíku.

Výzkumníci se nyní chtějí zabývat povahou sil mezi těmito dvojicemi atomů. Jedním z extrémů je silná interakce, typická pro atomové Boseovy-Einsteinovy kondenzáty. Opačným extrémem je interakce, při níž atomy vytvářejí kvantově korelované dvojice, avšak nejsou navzájem chemicky vázány. Příkladem takové zvláštní interakce je "Cooperovo párování" elektronů, které je příčinou supravodivosti. Cooperovo párování fermionových atomů (které by mělo být příčinou supratekutého stavu kapalného hélia-3) dosud v plynech nebylo pozorováno.
 

Fyzikové Univerzity v Lipsku (Leipzig) ve Spolkové republice Německo ozařovali grafit paprskem protonů a vytvořili lehký, čistě uhlíkový, nekovový magnet při pokojové teplotě. Čistý uhlík vytváří několik pevných forem. Jednou z nich je práškový grafit, v němž jsou dvojrozměrné plochy atomů navzájem slabě vázány. Grafit proto lze používat jako mazadlo nebo jako tuhu v tužkách. Další formou je krystalický diamant, kde atomy jsou navzájem vázány v trojrozměrné struktuře. Další formou jsou uhlíkové kuličky tvaru fotbalového míče složené ze 60 atomů uhlíku. Poslední formou jsou uhlíkové nanotrubičky. Všechny tyto formy mají důležité elektrické vlastnosti, avšak nejsou magnetické. Dosud nebyl pozorován žádný čistý uhlíkový vzorek, který by měl magnetické vlastnosti, s výjimkou příměsemi dopovaného vzorku při teplotách blízkých absolutní nule.

Výzkumníci v Lipsku použili paprsek protonů z urychlovače, jímž ozařovali vzorek grafitu. Malé množství protonů ve vzorku postačilo k vyvolání slabého magnetického uspořádání uhlíkových atomů. Magnetismus byl následně měřen citlivými supravodivými kvantovými interferenčními detektory SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) a mikroskopem magnetických sil. Podle Pabla Esquinaziho [M1] magnetický grafit při pokojové teplotě může vést k zajímavým aplikacím ve spintronice (některé teoretické práce dokazují, že atomy ve dvourozměrných vrstvách grafitu ozařované protony mohou dosahovat až úplné polarizace) nebo v počítačových médiích pro ukládání dat, v nichž data budou v podobě zmagnetizovaných bodů zapisována do filmu čistého grafitu místo do kovových nebo kovových a polovodičových filmů. Slabý magnetismus grafitu lze využít také pro studium biomolekul, které obsahují velmi mnoho chemických vazeb mezi atomy uhlíku a vodíku. Konečně magnetický grafit má také význam v astronomii a astrofyzice, protože mezihvězdný prostor obsahuje mračna plynu bohatá na uhlík, která jsou vystavena kosmickému záření. (Esquinazi et al., Physical Review Letters, 28. listopadu 2003)
 

Nové snímky pohybů v kochleárním aparátu, součásti vnitřního ucha, která zajišťuje vnímání zvuku, objasňují příčinu ohromné citlivosti sluchu savců. Obrvené buňky v kochleárním aparátu totiž fungují jako elektromechanické mikrokapalinové pumpy. Vnější obrvené buňky kochleárního aparátu, které jsou umístěny ve spirální struktuře označované jako Cortiho orgán, reagují na zvuk chemicko-elektrickými zněmani a na změny elektrického napětí reagují změnami své délky.

V listopadu 2003 na zasedání Akustické společnosti Ameriky v Austinu výzkumníci (David Mountain, Bostonská univerzita, [M2]; Domenica Karavitaki, Harvardská lékařská škola, [M3]) předvedli vizuální důkaz smršťování a rozpínání obrvených buněk, které takto protlačují kapalinu malým Cortiho tunelem ve sluchovém orgánu. Podle teoretických výpočtů, které provedl Mountain a jeho kolegové, se citlivost sluchu zvýší až 100 krát, pokud je tok kapaliny správně synchronizován se zvukem indukovanými pohyby v kochleárním aparátu. Pro získání snímků malých a velmi rychlých vibrací kochleárního aparátu Karavitaki použila stroboskopické snímkování s rychlostí deseti tisíc záblesků za sekundu. Tento důkaz, že vnější obrvené buňky fungují jako elektromechanické mikrokapalinové pumpy, podporuje teorii výzkumníků o funkci kochleárního aparátu. Autoři tvrdí, že citlivost sluchu nelze bez průtoku kapaliny Cortiho tunelem zvýšit. Mezi všemi obratlovci pouze savci mají Cortiho tunel a pouze savci mají obrvené buňky, které mění svoji délku v důsledku elektrického napětí. [X1]

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 663. November 25, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Podle autorů článků Physics News Updates Amerického institutu pro fyziku (the American Institute of Physics) [X1] třemi nejvýznamnějšími událostmi v roce 2003 bylo objasnění období velkého třesku, experimentální důkaz nových seskupení kvarků (pentakvark) a pokrok v zacházení s kvantovými plyny.

Pozorování sondy pro měření mikrovlnné anisotropie (WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), digitálního dalekohledu (Sloan Digital Survey) a dalších dalekohledů omezilo nejistoty hodnot takových parametrů, jako je Hubbleova konstanta, stáří vesmíru a podíl celkové energie ve formě temné a svítící hmoty.

Na úrovni elementární hmoty nové experimenty prokázaly, že kvarky se nemusí seskupovat pouze po dvou (mesony) nebo po třech (baryony). Vědci americké laboratoře SLAC a japonské laboratoře KEK ukázali, že může existovat "tetrakvark" a vědci v Japonsku, ve Spojených státech a v Rusku dokonce podali důkaz existence "pentakvarku".

Vědcům se také podařilo poprvé vytvořit Boseův-Einsteinův kondenzát molekul složených ze dvou fermionových atomů. Tento výsledek umožní vysvětlit interakce mezi fermionovými atomy a pomůže při objasnění podstaty supravodivosti a supratekutosti.

Dalšími významnými událostmi ve fyzice roku 2003 byl rozpor při použití gravitační čočky v podobě planety Jupiter pro radiové vlny při měření rychlosti šíření gravitace, pokrok při použití laseru s attosekundovými pulsy při studiu chemických reakcí, použití fyziky mikrokapalin (konkrétně při transportu kapalin na čipu a při transportu biočástic, jako jsou krevní buňky a DNA molekuly), důkaz soustřeďování světla levostrannými materiály, materiály se záporným indexem lomu, první reakce jaderné fúze na zařízení Z v americké národní laboratoři Sandia, stanovení horní meze intenzity gravitačních vln pro různé procesy, sestavení laseru založeném na jediném atomu, materiály s kladným a záporným indexem lomu, nové práce o fotonických krystalech včetně jevů rázových vln a posuvů energie.
 

Nová vědecká práce ukazuje, že obecná teorie relativity, v níž pozorovatelé v různých vztažných soustavách měří čas různě, je slučitelná s teorií chaosu, v níž se jevy nevyvíjejí v nějakém absolutním čase. Chaos má v běžném chápání více významů. Ve fyzice je však pojem chaosu přesnější. Nějaký systém, například atmosféra Země, je chaotický, jestliže nepatrná změna počátečních podmínek vede k velmi rozdílnému vývoji systému v čase. Stupeň "chaotičnosti" systému je omezen parametrem, který se označuje jako Ljapunovův exponent. Pokud je tento parametr kladný, pak systém je chaotický a jeho vývoj nelze v delším časovém měřítku předpovědět. Pokud je tento parametr záporný, systém není chaotický a malé poruchy (perturbace) nijak významně neovlivní jeho vývoj v čase.

Dlouhou dobu se teoretičtí fyzikové obávali, že změna vztažné soustavy v obecné teorii relativity může změnit časový parametr takovým způsobem, že se Ljapunovův exponent změní z nulové nebo záporné hodnoty na kladnou nebo naopak. Jinými slovy, že pouhou změnou vztažné soustavy pozorovatele se systém nechaotického změní na chaotický nebo naopak. Práce Adilsona Mottera z Ústavu Maxe Plancka pro složité systémy v Drážďanech (Dresden) však ukázala, že tyto obavy byly liché. Autor [M1], [X2] ukázal, že změna časového parametru nezmění Ljapunovův koeficient natolik, aby se změnilo chování systému. Motter je přesvědčen, že jde o dobrou zprávu, protože rovnice obecné teorie relativity jsou nelineární stejně jako rovnice chaotických systémů. Přitom se předpokládá, že v řadě situací obecné teorie relativity, jako je pohyb hmotných těles v blízkosti černé díry, nebo rozpínání vesmíru krátce po velkém třesku, jsou značně chaotické jevy. (Physical Review Letters, 5. prosince 2003)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 664. December 2, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

V novém experimentu se podařilo zastavit světelný puls bez ztráty jeho optické energie. Před několika lety dvě různé skupiny Harvardské univerzity úspěšně zpomalily a pak udržovaly světelný puls v atomovém plynu. Šíření světelných pulsů bylo zastaveno přenesením vlastností přicházejících fotonů do orientace spinů atomů v plynu. Světelné pulsy však přestaly existovat ve formě elektromagnetické energie a všechny své kvantové vlastnosti předaly atomům v plynu. Později bylo možno světelný puls obnovit.

V novém experimentu provedeném na Harvardské univerzitě se podařilo světelný puls zastavit beze změny jeho optické podstaty. Michail Lukin a jeho kolegové podobně jako ve zmíněném pokusu nejprve přenesli vlastnosti světelného pulsu do uspořádání spinů atomů v plynu. Avšak použili dvojici protisměrně se šířících laserových paprsků, které světelný puls obnovily. Řízením těchto paprsků lze zajistit, aby se atomy chovaly jako soustava zrcadel. V tomto prostředí atomových zrcadel původní puls stále existuje jako elektromagnetické záření, avšak nemůže se pohybovat, neboť zůstává uvnitř pevné stabilní obálky. Proto světelný puls, který obsahuje optické fotony, je obrazně zmrazen v prostoru. Přitom jej lze znovu uvést v pohyb.

Tato experimentální práce vychází z teoretického návrhu, který byl publikován v roce ve Physical Review Letters (89. 143602, 2003). Výzkumníci jsou přesvědčeni, že tento nový jev, který svým pokusem předvedli, lze použít pro řízené umístění, tvarování a vedení stacionárních fotonových pulsů ve všech třech prostorových rozměrech. Pro různé světelné paprsky lze vytvořit ideální podmínky pro jejich vzájemnou interakci, protože jejich lokalizovanou elektromagnetickou energii lze udržovat na jednom místě po relativně dlouhou dobu. Takové metody by mohly umožnit nelineární interakce mezi laserovými pulsy různých vlnových délek (barev) při nějakém zpracování světelných signálů. Například tento proces by mohl fungovat v optických procesorech, kdy zpracování dat se neprovádí pomocí elektronů ale pomocí fotonů (tzv. "fotonika"). Dalším ctižádostivým úkolem by mohlo být provádění logických operací mezi jednotlivými fotony v budoucích kvantových počítačích. Výzkumníci tvrdí, že bude nutné učinit ještě další výzkum, než bude možno říci, zda jejich výsledky povedou k těmto aplikacím. S jistotou lze říci, že byl učiněn další krok k úplnému ovládnutí světla. (Bajcsy, Zibrov, a Lukin, Nature, 11. prosince 2003.)
 

Může pohybující se detektor změnit kvantová měření? Může například počet fotonů v paprsku světla záviset na umístění detektoru v silném gravitačním poli? Tyto myšlenky, které dlouho znepokojovali některé fyziky, lze podle nové teorie již ověřit v laboratoři. Boseovy-Einsteinovy kondenzáty ochlazených atomů mohou zastoupit univerzální vakuum. Související pohyb, jímž potenciální energie obsažená ve vakuu může ovlivnit geometrii prostoročasu a tím rozpínání vesmíru, lze testovat v laboratoři na Zemi.

Příslušný jev, který umožňuje tento směr výzkumu, se nazývá Unruhův-Daviesův jev. Urychlovaný detektor (tedy nikoliv se pohybující konstantní rychlostí) ve vakuu může účinně detekovat tzv. virtuální fotony vznikající ve vakuu. Podobným jevem je Gibbonsův-Hawkingův jev, v jehož důsledku lze detekovat fotony v silném gravitačním poli na kauzálním horizontu černé díry. Podle Unruhova-Daviesova jevu energii potřebnou pro přeměnu virtuálních fotonů vakua v reálné fotony může poskytnout samotný zrychlující se detektor. Detektor tak bude pozorovat vakuum nikoliv jako prostor bez hmoty a záření, ale jako prostředí vyplněné termálními fotony. Stejný jev může narušit kvantovou teleportaci.

"Teplota" tohoto termálního prostředí bude úměrná zrychlení detektoru. Pokud bychom chtěli pozorovat termální prostředí vakua s teplotou 10^-15 Kelvinů, muselo by zrychlení detektoru být asi stotisíckrát větší než je gravitační zrychlení na povrchu Země. Proto se donedávna předpokládalo, že takový jev nebude možno v dohledné budoucnosti pozorovat.

Dva fyzikové z Leopold-Franzens-Universitaet v Innsbrucku Petr Fedichev [M1] a Uwe Fischer [M2] jsou přesvědčeni, že tento jev bude možno ověřit studiem průchodu zvukových vln Boseovými- Einsteinovými kondenzáty. Supratekutý kondenzát atomů by mohl odpovídat fyzikálnímu vakuu a fonony (částice zvuku) by mohly odpovídat fotonům, které procházejí zakřiveným prostoročasem. Než však bude možno tento experiment skutečně provést, bude nutné vytvořit mnohem větší Boseovy-Einsteinovy kondenzáty než dosud a bude nutné dosáhnout přesnější optické manipulace s atomy uvnitř těchto kondenzátů. (Physical Review Letters, 12. prosince 2003)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 665. December 10, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.