Nejmenší atomové hodiny na světě o velikosti zhruba zrnka rýže jsou tvořeny mikrobuňkou o objemu asi 1 cm³, která je vyplněna atomy cesia. Jsou napájeny baterií s napětím 2,5 V a vyžadují proud asi 30 mA. Atomové hodiny jsou nejpřesnějšími hodinami na světě. Jako zdroj časového signálu používají světlo emitované atomy cesia při přechodu z jedné hladiny energie do druhé. Tyto přechody lze měřit s neurčitostí menší než 1:10¹². Nové miniaturní hodiny dosahují přesnosti 3,5.10^-10.

Vědci z laboratoře NIST v Boulderu v americkém státě Colorado zhotovili dokonce ještě přesnější hodiny s přesností až 10^-12. Avšak tyto hodiny zatím vyžadují velké stolní vybavení. Stabilita miniaturních atomových hodin je asi 10^-11, což je asi 10000 krát vyšší než stabilita krystalického oscilátoru ekvivalentní velikosti a elektrického příkonu. Jaké bude využití těchto velmi přesných, malých a poměrně levných hodin? Očekává se, že se budou používány jako zdroj hodinového signálu na vědeckých satelitech, v přijímačích globálního pozičního systému GPS, v sítích procesorů počítačů a zřejmě také v mobilních telefonech. (Knappe et al., Applied Physics Letters, 30. srpna 2004; kontakt: John Kitching, [M1] ; vysvětlení přesnosti hodin viz [X1]).

V novém experimentu v Tokijském institutu technologie vědci použili evanescentní světlo pro soustředění ochlazených atomů do podoby paprsku. Evanescentní světlo je barevné optické pole (něco jako barevná aura, kterou pozorujeme při rozptylu světla na hraně nějakého materiálu), které vzniká na povrchu materiálu, když se paprsek laseru od tohoto materiálu odráží "úplným vnitřním odrazem". V tomto případě jev fokusace vzniká, když dutý paprsek laseru se pohybuje po stěnách kousku skla ve tvaru nálevky. Světlo pokrývající vnitřní stěnu této nálevky pomáhá zpomalovat a ochlazovat shluky atomů, které jsou udržovány a chlazeny v magnetooptické pasti a padají do nálevky vlivem gravitace. Evanescentní světlo bylo použito již dříve pro vedení atomů dutými optickými vlákny. Tokijský výzkum však dosáhl nových vlastností: vyšší intenzity toku atomů, nižší teploty a menšího průměru paprsku atomů. Nálevka soustřeďuje atomy ze shluku o velikosti asi 2 mm do paprsku o průměru asi 200 mikronů. Vědci testují ještě větší soustředění atomů a předpokládají, že se jim podaří dosáhnout soustředění atomů asi 10¹⁵ atomů na cm².

Akifumi Takamiazwa [M2] tvrdí, že on a jeho kolegové usilují o vytvoření nálevky o průměru jen několika nanometrů, aby bylo dosaženo atomové de Broglieovy vlnové délky a bylo možno pracovat s jediným atomem. Tímto způsobem by jediný atom mohl přenášet jeden bit informace. (Takamizawa et al., Applied Physics Letters, 6. září 2004; viz [X2] a [X3]).

Ve většině elektronických součástek jsou nosiče elektrického náboje elektrony. V polovodičích elektrický proud vytvářejí také kladně nabité díry po chybějících elektronech. Kladně nabité ionty však mohou také vytvářet elektrický proud. Akumulátorové baterie v automobilech s náplní olova a kyseliny sírové jsou známým příkladem tohoto principu. Zvláštností však je "superprotonový přechod", jev, který v 80. letech 20. století objevili sovětští vědci (do roku 1990 existoval státní útvar patnácti republik zvaný Sovětský svaz, jehož součástí byla také Ruská federace). Při určité teplotě protonová vodivost o několik řádů vzroste, pokud dojde ke strukturnímu přeskupení některých molekulárních skupin kyslíkových iontů (jako je SO₄). Sossina M. Haile [M3] a její kolegové v Kalifornském institutu technologie Caltech provedli nové experimenty, v nichž rozšířili seznam superprotonových materiálů a odhalili část tajemství. Například vyjasnili pochybnosti o superprotonovém přechodu v kyselině cesium-fosforečné CsH₂PO₄. Tato kyselina je v tuhém stavu a díky svým chemickým a elektrickým vlastnostem je slibným materiálem pro elektrolyt palivových článků. Nové výsledky byly oznámeny na zasedání Americké krystalografické asociace v Chicagu v září 2004. [X4]

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 698. August 26, 2004 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Model kvark-mesonové vazby (QMC, Quark-Meson Coupling), který učinil radikální krok zahrnutím vnitřně konsistentních změn ve struktuře kvarků v nukleonu, když jsou kvarky vázány ve hmotě, byl nyní převeden na teorii interakcí kvasi-nukleonů pomocí sil více těles. Díky tomu model QMC může soutěžit s popisem jádra, v němž struktura nukleonů nehraje žádnou roli. Konvenční hierarchie jaderné hmoty začíná kvarky jako nejmenšími částicemi.

Nukleony složené ze tří kvarků udržuje pohromadě výměna gluonů. Atomové jádro je složeno z nukleonů. Pohromadě ho udržuje výměna mesonů složených ze dvou kvarků. Atomy jsou složeny z atomového jádra a elektronů (tedy leptonů) rozptýlených kolem jádra.

Žádná teorie tedy není platná na všech úrovních hmoty. Místo toho existuje několik "efektivních teorií", jejichž platnost mimo vlastní úroveň je velmi omezena. Například v experimentech při velmi vysokých energiích (v řádu mnoha GeV), při nichž bychom teoreticky mohly pozorovat kvarky uvnitř nukleonů, jadernou fyziku omezujeme na shluky kvarků interagujících výměnami gluonů. Při nižších energiích, při nichž bychom teoreticky mohly pozorovat strukturu nukleonů, jadernou fyziku omezujeme na shluky nukleonů interagujících vzájemnou výměnou mesonů. Samozřejmě při těchto nižších energiích bychom mohly uvažovat také kvarky, jejichž pohyb uvnitř nukleonů se musí změnit, pokud nukleony jsou vázány v atomovém jádře. Nukleon pak představuje jeden objekt, zatímco pokud vezmeme v úvahu také kvarky, které obsahuje, hovoříme o "kvasi-nukleonu".

Takový objekt uvažujeme v modelu QMC při popisu interakcí mezi kvarky v jednom nukleonu s kvarky v jiném nukleonu výměnami mesonů. Kvarky v jednom nukleonu interagují s kvarky druhého nukleonu a tyto kvarky interagují s kvarky dalšího nukleonu. Výsledný popis jádra pak vede ke kvasi-nukleonům, které silově interagují se 2, 3 nebo dokonce 4 dalšími tělesy. Nezbytnost takového modelu se silami více těles se empiricky prokázala již v tradiční jaderné fyzice. Význam modelu QMC spočívá v tom, že by mohl vysvětlit původ těchto sil a předpovědět jejich intenzitu. Tímto způsobem lze dospět k realističtějšímu popisu zejména na hranici mezi vysokými energiemi (částicová fyzika) a nižšími energiemi (jaderná fyzika). Očekává se, že QMC teorie bude během několika příštích let experimentálně ověřena. Tato teorie by mohla objasnit změny hmotnosti hadronů v husté hmotě a mohla by také být nástrojem pro velmi přesná měření poměru elektrického a magnetického faktoru ve vazbě protonů v atomu hélia.

Autoři modelu kvark-mesonové vazby Pierre Guichon (Saclay, Francie) [M1] a Tony Thomas (Adelaide, Austrálie, nyní vědecký šéf v Jeffersonově laboratoři) jsou přesvědčeni, že novější verze jejich modelu umožní vysvětlit data pocházející z experimentů srážek těžkých iontů, jejichž cílem je vytvořit stav kvarkové gluonové plasmy. (Physical Review Letters, září 2004)

V lednu 2004 dva fyzikové Pennsylvánské státní univerzity publikovali výsledky experimentu, v němž při velmi nízkých teplotách se jedno pevné těleso (pevné hélium-4) pohybovalo bez tření po druhém tělese (vycor, sklu podobný materiál).

Nyní výzkumníci Moses Chan a Eun-Song Kim svůj postup při přípravě supratekutiny chovající se jako pevná látka pozměnili. Ztuhlé hélium není naneseno na skleněné matrici. Atomy hélia jsou umístěny v otevřeném prstencovém kanálku v jednoduché komůrce, kde se mohou volně pohybovat. Atomy hélia jsou ochlazeny a vystaveny silnému tlaku, aby kapalné hélium ztuhlo. Fázový přechod z kapaliny do pevné látky se projevuje zvláštními vlastnostmi oscilací. Při ještě nižší teplotě asi 230 mK však dochází k další změně. Chan a Kim jsou přesvědčeni, že asi 1,5 procenta vzorku se přemění v suprapevnou látku, která se pohybuje bez tření. (Science Express, 3. září 2004)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 699. September 3, 2004 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Američtí výzkumníci Univerzity v Marylandu oznámili první experimentální pozorování magnetorotační nestability, tedy vznik magnetického pole indukovaného v turbulentně rotující elektricky vodivé kapalině ve vnějším magnetickém poli. V experimentu rotovala měděná koule velikosti baseballového míče v nádobě s kapalným sodíkem. Výzkumníci se tímto způsobem pokusili napodobit stav látky uvnitř zemského jádra, ve vnějším obalu hvězd nebo v akrečním disku kolem černých děr. Ve všech těchto případech se objevuje diferenciální rotace (vnitřní části kapaliny rotují rychleji než vnější části) a vznikají silná magnetická pole. Až dosud toto fyzikální prostředí bylo pouze předmětem teoretických úvah a počítačových simulací. Nyní však výzkumníci skutečně ukázali, že v hydrodynamické turbulentní kapalině může vznikat uspořádané magnetické pole. Podle Daniela Lathropa, člena výzkumného týmu, tyto nové experimenty umožní výzkumníkům studovat vztahy mezi navzájem se pohybujícími kapalinami, když vznikne turbulence nebo je rotující pohyb jedné z kapalin narušen. (Sisan et al., Physical Review Letters, 10. září 2004; kontakt: Daniel Lathrop [M1])

Nový experiment ukázal, že poločas rozpadu radioaktivních atomů berylia-7 se změnil asi o 1 procento, když tyto atomy byly umístěny uvnitř molekul C-60. Tento výsledek představuje zřejmě největší pokrok v úvahách chemické modifikace poločasu rozpadu atomových jader. Atomy berylia Be-7 jsou nestabilní. Jedním ze způsobů radioaktivního rozpadu je zachycení vlastních elektronů, kdy srážkou protonu s elektronem vzniká neutron. Výzkumníci umístili atom berylia do dutiny uvnitř molekuly C-60 (tzv. endohedrální berylium, Be@C60). Okolní shluk elektronů atomů uhlíku zjevně modifikují vlnovou funkci elektronů atomu berylia a příslušný "fázový prostor", takže se rychlost zachytávání elektronů jádrem atomu berylia zvyšuje.

Předchozí pokusy modifikovat poločas rozpadu chemickým způsobem vedly ke změně poločasu asi o 0,15 procenta. Japonští výzkumníci z Univerzity v Tohoku a z Národní univerzity v Yokohamě jsou přesvědčeni, že tento postup by v budoucnu mohl zmírnit problémy s uskladněním radioaktivních materiálů. V blízké budoucnosti by endohedrální fullereny (molekuly C-60 obsahující jako náklad atomy) mohly vést ke speciální radioterapii nebo ke sledování metabolických procesů v buňkách. (Ohtsuki et al., Physical Review Letters, 10. září 2004; [M2])

Kondenzáty dvojic atomů a děr po atomech umístěné v "optické mřížce" vytvořené překříženými paprsky laseru mohou přispět v současnosti k populárnímu programu využití podivných kvantových jevů pro zpracování informace a ke studiu supratekutin použitím ovládaných interakcí. Fyzik z Ústavu Maxe Plancka pro fyziku složitých systémů v Drážďanech (Dresden) Chaohong Lee [M3] navrhl model kondenzátu atomů a děr jako analogii oblaků elektronových děr v polovodičích. Když se uvolní záporně nabitý elektron z mřížky krystalu polovodiče, zůstane po něm díra, která se může pohybovat a působit jako kladně nabitá částice. Blízký elektron a díra se chovají jako určitý pár. Tento pár nebo "exciton" může kondenzovat do společného kvantového stavu. V diodách emitujících světlo (LED) tyto dvojice děr a elektronů způsobují emisi světla.

Lee je přesvědčen, že k podobnému jevu může docházet také v silně ochlazené směsi Fermiho atomů (atomů s poločíselným spinem), které jsou zachyceny v optické mřížce. Ve svém modelu uvažoval dva druhy atomů (s opačnou polarizací) stejného prvku, které se nacházely v atomové pasti. Změnou magnetického pole dochází k interakci mezi zachycenými atomy. S potenciálovou jámou v optické mřížce lze manipulovat tak, aby vznikla dvojice atomu a díry a dokonce došlo k jejich kondenzaci do společného kvantového stavu. Podobně jako když elektron a díra vzájemnou anihilací vytvoří foton, atom a díra mohou vzájemnou anihilací vytvářet fotony novými způsoby. (Physical Review Letters, září 2004)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 700. September 10, 2004 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Anténu pro viditelné světlo podobnou anténám pro radiové vlny lze vytvořit z uhlíkových nanotrubiček. V radiové anténě, jejíž velikost odpovídá vlnové délce přicházející vlny nebo jejímu určitému zlomku, dopadající vlna excituje elektrony jako nosiče elektrického náboje v anténě a tím vzniká elektrický proud. Tento slabý elektrický proud lze zesílit například tranzistorovým zesilovačem a užitečný televizní nebo rozhlasový signál lze od nosného kmitočtu oddělit. Pro světlo s vlnovou stovek nanometrů lze takovou anténu sestrojit obtížně. Vědci z Boston College však pozorovali zbytkový anténní jev v poli uhlíkových nanotrubiček, v nichž dopadem světla vznikaly velmi slabé elektrické proudy. Podle Yanga Wanga [M1] by bylo možno měřit tyto elektrické excitace přímo, pokud by existovaly nanodiody schopné zpracovat elektrické pulsy oscilující s optickou frekvencí 10¹⁵ Hz. Takové nanodiody však dosud neexistují. Proto zatím lze pozorovat sekundární záření, které je těmito excitacemi způsobeno. Nanotrubičky použité v tomto experimentu fungují jako malé kovové antény o šířce asi 50 nm a délce několika stovek nanometrů.

Nanotrubičky se však pro dopadající světlo nechovají pouze jako dipóly radiových antén. Reagují také na polarizaci světla. Pokud je dopadající světlo polarizováno pod správnými úhly vzhledem k orientaci nanotrubiček, elektrické proudy nevznikají. Jaké jsou možné aplikace pro tyto antény pro viditelné světlo? Lze například očekávat optické televize. Televizní signál modulovaný na laserovém paprsku a vysílaný optickým vláknem lze demodulovat v televizním přijímači polem nanotrubiček, z nichž každá by fungovala jako rychlá nanodioda. Dále lze očekávat vývoj účinných solárních článků. Dopadající světlo by bylo přeměněno přímo v elektrické náboje, které by byly uchovávány ve vhodném kondenzátoru. (Wang et al., Applied Physics Letters, 27. září 2004; kontakt: Zhifeng Ren, Boston College, [M2])

Myšlenka synchronizace hodin kvantově propletenými fotony byla nyní ověřena experimentem. Jedním z důležitých témat speciální teorie relativity je synchronizace hodin. Jak blízko může být čas t1 na prvních hodinách k času t2 na druhých hodinách? Moderní hodiny dosáhly již takové úrovně, že rozlišení a přesnost metod jejich porovnání se stalo omezujícím faktorem pro určení stupně synchronizace t1 - t2. Podle nových představ, které vycházejí z aspektů kvantově propletených fotonů, kvantová mechanika může překonat klasické omezení synchronizace hodin. Fyzikové z Univerzity v Baltimore v Baltimore County nyní potvrdili tyto představy provedením experimentu se dvěma kvantově propletenými fotony, které byly poslány do dvou detektorů ve stejné vzdálenosti od zdroje těchto fotonů. Dvojice kvantově propletených fotonů vznikají v nelineárním krystalu. Kvantová propletenost znamená, že tyto fotony mají zvláštní kvantovou korelaci, tedy se nacházejí ve společném kvantovém stavu a jsou popsány společnou vlnovou funkcí. Tato kvantová korelace zůstává zachována i v případě, že by se tyto fotony od sebe vzdálily miliardy kilometrů. Fyzikové v Marylandu (kontakt: Alejandra Valencia, [M3]) synchronizovali dvoje vzdálené hodiny připojené k fotodetektoru. Zpracovávali statistické vzorky výsledků hodin. Vyslali jeden foton z paprsku do prvního detektoru a druhý foton do druhého detektoru a pak jejich kvantově propletené partnery vyslali do opačných detektorů. Při vzdálenosti hodin 3 km se jim podařilo hodiny synchronizovat s přesností několika pikosekund. Synchronizace času má zásadní význam v telekomunikacích, zejména v globálním pozičním systému GPS. (Valencia et al., Applied Physics Letters, 27. září 2004)

Evropská organizace jaderného výzkumu CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléare) v Ženevě oslavila 29. září 2004 padesáté výročí své existence. Tato "Organizace spojených národů pro fyziku" s četnými evropskými členskými státy a s řadou neevropských spolupracujících organizací představuje výzkumný komplex, v němž bylo dosaženo několika významných světových úspěchů a objevů v oblasti fyziky elementárních částic.

V roce 1973 byly pozorovány slabé interakce neutrálních proudů, tedy typ srážek, kdy dvě částice spolu interagují výměnou těžkého neutrálního bosonu. V roce 1983 byly částice slabé jaderné interakce neutrální boson Z a nabité bosony W+ a W- pozorovány. V roce 1990 původně pro přenos velkého množství dat vznikl první hypertextový protokol, první webový server a první webový klient. V roce 2000 byl objeven nový druh jaderné hmoty (zřejmě kvark-gluonová plasma) při srážkách těžkých iontů. V roce 2002 byly vytvořeny pomalu se pohybující atomy anti-vodíku.

Nedávno odstavený velký srážkový urychlovač elektronů a positronů LEP (Large Electron Positron Collider) posloužil k velmi přesným měřením slabé jaderné interakce a dalších aspektů standardního modelu částic. Urychlovač LEP propůjčil svůj 27 kilometrů dlouhý kruhový tunel pro výstavbu velkého srážkového urychlovače hadronů LHC (Large Hadron Collider), v němž se budou srážet paprsky protonů nebo těžkých iontů o energii až 7 TeV. Fyzikové doufají, že urychlovač LHC přispěje k objevu Higgsova bosonu a různých členů supersymetrických částic (bosonové protějšky známých fermionových částic a fermionové protějšky známých bosonových částic). Urychlovač LHC by snad také mohl potvrdit existenci dalších rozměrů v souladu s teorií superstrun. Dokončení tohoto urychlovače se očekává v roce 2007. [X1]

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 701. September 17, 2004 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.