Výzkumníci Coloradské univerzity objevily novou formu atomové látky, fermionový kondenzát, který doposud nebyl pozorován. Pro přiblížení tohoto koncepčně obtížného avšak fyzikálně bohatého tématu je nutné objasnit několik pojmů: kvantové pozadí, definici pojmu "degenerace", souhrnný popis nového atomového stavu a konečně vyhodnocení výhod tohoto stavu.

Při studiu kvantových plynů výzkumníci věnovaly pozornost bosonovým atomům jejichž celkový spin je celočíselný jako 0, 1, 2). V roce 1995 vědci ochlazením bosonových atomů vytvořili zvláštní formy hmoty, v níž vlnové funkce jednotlivých atomů překrývají, takže atomy nelze od sebe rozlišit. Takto ochlazené atomy jsou jedinou kvantovou entitou označovanou jako Boseův- Einsteinův kondenzát (BEC).

Fermiony (které mají poločíselný spin, jako je 1/2, 3/2 nebo 9/2), bez ohledu na to, zda jde o elementární částice, jako jsou elektrony nebo kvarky, nebo celé atomy, se nechovají jako bosony. Podle Pauliho vylučovacího principu žádné dva identické fermiony nemohou zaujmout stejný kvantový stav. Chemické vlastnosti prvků ve vesmíru se řídí jednoduchým Pauliho pravidlem: elektrony v atomech zaujímají elektronové orbity takovým způsobem, aby žádné dva elektrony neměly stejný kvantový stav. Jednotlivé orbity jsou popsány kvantovými čísly. 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), spin určuje vlastní úhlový moment. Částečně naplněné orbity určují, jakou chemickou afinitu (typy chemických vazeb) atom bude mít. Zda některý atom je fermion nebo boson lze zjistit sečtením spinů všech jeho složek, tedy protonů, neutronů a elektronů. Fermionové atomy se účastní běžných chemických reakcí (liší se vnitřním uspořádáním jádra a elektronového obalu), avšak nemohou tvoři kvantové kondenzáty, v nichž by všechny atomy zaujímaly stejný kvantový stav.

Pauliho vylučovací princip platí za všech podmínek, avšak výrazně se projevuje v některých kvantových systémech, jako jsou elektronové orbity uvnitř atomu nebo ochlazené atomy v atomové pasti. Za vhodných podmínek mohou všechny bosony zaujmout jeden společný kvantový stav. Všechny bosonové atomy pak mají stejnou energii a říkáme, že se nacházejí v degenerovaném stavu. Fermiony se chovají naprosto odlišně. Za vhodných podmínek se fermiony, jako jsou elektrony pohybující se v krystalu nebo atomy ochlazené v atomové pasti, uspořádají tak, že každý fermion obsadí právě jeden stav energie nebo hybnosti od nejnižšího stavu. Jednotlivé hladiny energií nebo hybností si lze představit jako žebřík a na každé příčce leží jeden fermion. Nejvyšší příčka tohoto žebříku se nazývá Fermiho energie a teplota odpovídající této energii se nazývá Fermiho teplota. Volně se pohybující elektrony v krystalu nějakého kovu dokonce při pokojové teplotě zaujímají tímto způsobem diskrétní kvantově dovolené stavy energie a tvoří tak degenerovaný Fermiho plyn. Pro fermiony "degenerace" znamená, že jednotlivé částice zaujmou všechny kvantově dovolené stavy energie. Vytvořit plyn degenerovaných fermionových atomů je obtížnější než vytvořit Boseův-Einsteinův kondenzát bosonových atomů. Degenerovaný Fermiho plyn poprvé vytvořila v roce 1999 Deborah Jin a její kolegové z NIST/JILA. Mimochodem, přestože fyzikové již dlouho předpokládali, že Pauliho vylučovací princip platí pro atomy (složené objekty) stejně jako pro elektrony, teprve nedávné práce tento fakt prokázaly experimentálně.

Spárované fermiony mohou vytvořit bosony, protože součet dvou poločíselných spinů dává celočíselný spin. Tímto způsobem mohou fermiony vytvářet kvantové kondenzáty. Existuje celé spektrum mechanismů párování fermionů. Na jednom konci tohoto spektra je silné párování, kdy atomy vytvoří molekuly a ty přejdou do stavu Boseova-Einsteinova kondenzátu. Na druhém konci tohoto spektra je slabé párování, kdy atomy nejsou chemicky vázány, ale vytvářejí korelovaný stav podobný Cooperovu párování elektronů. Cooperovo párování je příčinou kvantových proudů v supravodičích a základem párování atomů hélia-3, které vytváří supratekutinu.

V průběhu roku 2003 několik laboratoří oznámilo vytvoření kondenzátů molekul se silnými vazbami atomů. Nyní Deborah Jin a její kolegové Cindy Regal a Marcus Greimer z NIST a Coloradské univerzity oznámili významný krok vpřed. Typ párování atomů lze nastavit malou změnou intenzity vnějšího magnetického pole. Vědci z NIST, kteří ochladili atomy draslíku-40 na teplotu několika mikroKelvinů, jsou nyní na rozhraní. Vnější magnetické pole totiž neumožňuje typ párování potřebný pro vznik Boseova-Einsteinova kondenzátu. Na druhé straně interakce mezi atomy je příliš silná pro typ slabého Cooperova párování, které se objevuje při supravodivosti nebo při supratekutosti hélia-3. Nová kondenzovaná forma atomové látky tedy leží někde mezi Boseovou-Einsteinovou kondenzací a slabou Cooperovou kondenzací a přitom představuje sama o sobě jedinečný stav. Eric Cornell (také z NIST, avšak není členem týmu Deborah Jin), který obdržel Nobelovu cenu za svůj podíl na objevu Boseových-Einsteinových kondenzátů, tvrdí, že jde o zcela nový druh fermionové kondenzace, v podstatě o Cooperovo párování při omezení silným polem.

Jedním z cílů tohoto výzkumu je snaha vytvořit nové typy Cooperova párování nebo supratekutin a studium různých druhů supravodivosti. V těchto chladných Fermiho plynech lze interakce (a intenzitu párování) nastavit změnami vnějšího magnetického pole. To je zcela nová situace na rozdíl od kovové nebo keramické konvenční supravodivosti. Tento výzkum by mohl otevřít nové cesty k dosažení supravodivosti dokonce při pokojové teplotě. V novém fermionovém kondenzátu atomů draslíku je poměr teploty fázového přechodu (kdy se objevuje kondenzace párů) k Fermiho teplotě asi 1:5. V konvenčních nízkoteplotních supravodičích je tento poměr 1:10³ (nebo dokonce 1:10⁶). Dosud nejlepší vysokoteplotní supravodiče mají tento poměr asi 1:100. (Regal et al., Physical Review Letters, 30. ledna 2004; další podrobnosti: Physics Today, říjen 1999 a říjen 2003.)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 671. January 30, 2004 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Výzkumníci společného Spojeného ústavu pro jaderný výzkum v Dubně (JINR, Joint Institute of Nuclear Research) v Rusku oznámili objev chemického prvku s atomovým číslem 115. Ruští výzkumníci a jejich dlouhodobí spolupracovníci z americké Národní laboratoře Lawrence Livermorea vytvořili čtyři atomy nového supratěžkého prvku ostřelováním atomů americia-243 paprsky iontů vápníku-48.

Zvolená energie paprsku 248 MeV vytvořila přesně potřebné energetické podmínky pro sloučení jader atomů, aniž by došlo k jejich bezprostřednímu rozpadu. Pozorovaná délka života prvku 115 naznačuje, že fyzikové se možná blíží k "ostrovu stability", předpokládané oblasti Mendělejevovy periodické tabulky prvků, v níž pro určité kombinace protonů a neutronů budou jádra těžkých isotopů stabilnější než dosud vytvářená jádra v urychlovačích. V přírodě se nevyskytují atomy těžších chemických prvků, než je uran (prvek 92). Pro vytvoření těžších chemických prvků vědci používají urychlovače, v nichž provádějí srážky jader různých prvků. Stejný tým v Dubně již objevil prvky s atomovým číslem 114 a 116 a určité rozpady naznačovaly také objev prvku s atomovým číslem 118. (Výzkumníci z Národní laboratoře Lawrence Berkeleye však svůj objev později odvolali.)

V tomto novém experimentu výzkumníci použili atomy vápníku-48 s atomovým číslem 20, jimiž ostřelovali terčík atomů americia-243 s atomovým číslem 95. Poznamenejme, že číslo za názvem prvku udává počet nukleonů v jádře (tedy součet protonů a neutronů, zatímco atomové číslo udává počet protonů). Čtyři atomy prvku s atomovým číslem 115 se rozpadly po 90 milisekundách. Nejprve se emisí částice alfa (složené ze dvou protonů a dvou neutronů) rozpadly na prvek s atomovým číslem 113, další emisí částice alfa se rozpadly na prvek s atomovým číslem 111 a po dalších třech krocích s vyzářením částic alfa se rozpadly na prvek s atomovým číslem 105 (dubnium). Dubnium se rozpadlo asi po jednom dni (což odpovídá v jaderné fyzice téměř věčnosti).

Obrovským úspěchem jaderné chemie bylo objevení čtyř nových atomů mezi miliardami ostatních atomů. Jinými slovy, plynový separátor provádějící chemickou analýzu je přinejmenším stejně důležitý jako samotný urychlovač částic. V 90. letech 20. století výzkumníci v Dubně postupně objevily chemické prvky s atomovými čísly 112, 114, 116 a 118 díky intenzivnímu zdroji atomů Ca-48 a dostupnosti terčíků z aktinidů s lichým atomovým číslem, jako je americium. Mimochodem, tento experiment naznačil objev dalšího chemického prvku s atomovým číslem 113, který dosud nebyl pozorován. (Oganessian et al., Physical Review C; kontakt: Yuri Oganessian v JINR, [M1]; Ken Moody v Livermore, [M2] nebo Mark Stoyer, [M3]; Oganessianův článek v časopise Scientific American, leden 2000)

Gel z uhlíkových nanotrubiček, který je prvním příkladem kapalného krystalického materiálu složeného z jednostěnných nanotrubiček, vyrobili výzkumníci Pennsylvánské univerzity. Gel se skládá z půl mikronu dlouhých nanotrubiček, které jsou uspořádány jako dřevěné klády v jednom směru na polymerní matici. Gel má některé vlastnosti kapalných krystalů (které se skládají z uspořádaných tyčinkových molekul) včetně optické anisotropie a topologických defektů. Anisotropní optické vlastnosti a velká citlivost na změny složení a vlastností rozpouštědla tento gel předurčují pro nové aplikace. Gel může sloužit například jako osmotické nebo elektrické nano-čerpadlo, protože změny vnějšího elektrického pole nebo koncentrace solí v roztoku vyvolává změny jeho tvaru a objemu.

Gel byl zhotoven obalením nanotrubiček povrchovými chemickými sloučeninami s smísením v polymerech, které vytvořily překříženou síť mezi trubičkami. Následně byl celý objem stlačen. Výsledná hustota izolovaných jednostěnných nanotrubiček byla vyšší než v kapalných suspenzích. (Islam et al., Physical Review Letters; kontakt: Arjun G. Yodh [M4], Mohammad Islam [M5], nebo Tom Lubensky [M6])

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 672. February 2, 2004 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Mnoho neurovědců je přesvědčeno, že patologické oscilace v mozkové tkáni, jako v případě Parkinsonovy choroby nebo epilepsie, jsou způsobeny abnormální synchronizací mnoha tisíc nervových buněk (neuronů). Tento fyzikální mechanismus se vyskytuje v mnoha fyzikálních a biologických systémech. Například umožňuje světluškám svítit společně. Někdy je synchronizace žádoucí, například když generátor srdečního rytmu (sino-atriální uzel) stimuluje stahy srdečního svalu. V řadě případů je však taková synchronizace škodlivá. Londýnský most Millennium Bridge byl uzavřen krátce po svém otevření v roce 2000, když chodci nevědomky synchronizovaly svůj krok při jeho přechodu. Most se mírně houpal doleva a doprava, avšak když tyto oscilace začaly být pro chodce nebezpečené, byl most uzavřen pro rekonstrukci. V případě úzkosti související s Parkinsonovou nemocí je nutné potlačit synchronní oscilaci nervových buněk. Výzkumníci proto hledají metodu pro řízení kolektivní synchronizace neuronů.

V nedávno publikovaném článku byl navržen nový přístup. Mikroelektronický přístroj zaznamenává kolektivní oscilace a po nepatrném zpoždění tyto oscilace elektricky vysílá nazpět do postižené populace nervových buněk. Nastavením prodlevy a zesílením této zpětné vazby vědci v principu mohou kolektivní oscilace potlačit nebo naopak zesílit. Výzkumníci (Michael Rosenblum[M1], Arkady Pikovsky[M2], Univerzita v Postupimi (něm. Potsdam) v Německu) testovali tuto myšlenku v simulacích, které využívaly matematické modely populací neuronů. Výzkumníci jsou přesvědčeni, že jejich teoretická metoda může být užitečná v praxi, konkrétně při potlačování úzkosti při Parkinsonově chorobě pomocí lékařské metody, která se označuje "hlubinná stimulace mozku" (Deep Brain Stimulation) pomocí implantovaných mikroelektrod. V principu lékaři mohou použít implantované mikroelektrody pro měření elektrické aktivity určité oblasti mozkové tkáně a stimulovat populaci postižených nervových buněk zpožděným signálem z druhé mikroelektrody. Velkou výhodou tohoto přístupu v porovnání s použitím chemických léčiv je skutečnost, že mozek není ovlivněn celkově a jednotlivé neurony nejsou ovlivněny natolik, aby nemohly zastávat svoji funkci. Patologické kolektivní oscilace neuronů, které vedou k projevům Parkinsonovy choroby, jsou potlačovány neinvazivně. (Rosenblum and Pikovsky, Physical Review Letters, únor 2004)

Attogramové množství látky se podařilo detekovat Haroldu Craighadeovi a jeho kolegům z Cornellovy univerzity. Pole těchto detektorů umožní detekovat velmi malé chemické a biologické vzorky. Výzkumníci litograficky vyrobili nanoelektromechanické zařízení (NEMS), které umožňuje měřit hmotnost s citlivostí až 10^-18 gramu, tedy tisíckrát přesněji, než srovnatelné zařízení vyrobené v roce 2003.

V současné době nejlepší měření hmotnosti se provádí tepelným odpařením zkoumaného vzorku a použitím hmotnostního spektrometru. Přístroj z Cornellovy univerzity používá absorbci vzorku do tenké štěpiny křemíku, která díky tomu změní svojí resonanční frekvenci. Tuto frekvenci oscilace lze změřit odrazem laserového paprsku od resonanční dutiny. Výzkumníci zvážili malé vzorky zlata a na nich nanesené molekuly. Cílem jejich výzkumu však je detekce a identifikace různých virů. (Již dříve tato skupina detekovala imunospecifické vazby jediné baktérie použitím metody resonanční dutiny. Ke zkoumanému vzorku přidávali specifické protilátky a zkoumali vzrůst hmotnosti vzorku v důsledku vzniku vazby mezi baktérií a protilátkou.) Očekává se, že citlivost dutiny (4 mikrony dlouhá, 500 nanometrů široká, při pokojové teplotě) bude až 0,39 attogramu a mohla by být ještě lepší, pokud se velikost resonanční dutiny ještě zmenší. Výzkumníci doufají, že se jim podaří dosáhnout citlivosti až řádu zeptogramů (10^-21 gramů). (Ilic et al., Journal of Applied Physics, únor 2004; internetové stránky laboratoře: [X1])

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 673. February 18, 2004 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Anton Zeilinger a jeho kolegové na Univerzitě ve Vídni jsou odborníci na výrobu velkých objektů, jako jsou molekuly uhlíku C-70, které se chovají spíše jako vlny než jako částice. Např. se jim podařilo vyslat paprsek molekul C-70 přes mřížku a tyto molekuly vytvořily charakteristický interferenční obrazec, jako světelné vlny procházející štěrbinami nebo mřížkou krystalu. Nyní tito fyzikové použili stejné uspořádání pro studium dekoherence.

Dekoherence je kvantový proces, při němž kvantové objekty (jako jsou molekuly C-70 chovající se jako vlny) ztrácejí svoji vlnovou podstatu interakcí s okolním prostředím. Dekoherence je tedy procesem, který leží mezi klasickým a kvantovým světem. Její hlubší studium by výrazně přispělo k pochopení kvantových jevů, které budou využívány při kvantových výpočtech nebo při přenosu kvantové informace. Ve svém experimentu výzkumníci několikrát zaznamenali interferenční obrazce z různých paprsků molekul C-70. Každý paprsek se odlišoval svojí "teplotou" odpovídající množství světelného záření použitého pro dodání vnitřního pohybu atomům v molekulách. Očekávalo se, že teplejší molekuly, které vyzařují nadbytek tepelné energie ve formě fotonů, by měly být v těsnějším kontaktu s okolním prostředím, než chladnější molekuly. Protože teplejší molekuly jsou méně izolovány od svého okolí, měly by více podléhat kvantové dekoherenci. Chladnější paprsek by proto měl vytvářet ostřejší interferenční obrazec než teplejší paprsek. Experiment tuto hypotézu potvrdil. Posloupnost interferenčních obrazců od chladnějších k teplejším paprskům ukazuje postupnou ztrátu jejich kvantové podstaty. Dekoherence se tedy projevovala emisí tepla. Tento výsledek vysvětluje, proč v našem teplejším světě nepozorujeme jevy kvantové interference. (Hackermuller et al., Nature, 19. února 2004.)

Záporný normálový tlak objevený v 80. letech 20. století je dosud málo probádané přitahování dvou rovnoběžných desek, které vzniká určitým složitým tokem kapaliny mezi nimi. Poprvé byl záporný tlak pozorován v kapalných krystalických polymerech, které jsou hlavními složkami technicky důležitých materiálů, jako je Kevlar a Zylon. Nyní byl tento jev pozorován ve dvou velmi odlišných systémech. První dvě zprávy (Lin-Gibson et al., Physical Review Letters, 30. ledna 2004, Montesi et al., Physical Review Letters, 6. února 2004) by mohly vnést světlo do záhady, jak tyto "záporné" tlaky mohou vznikat v přírodě. Řešení této záhady by umožnilo lepší zpracování některých technologicky důležitých materiálů.

Představme si kapalinu protékající mezi dvěma rovnoběžnými deskami. Pro klasické "newtonovské" kapaliny, jako je voda, glycerin nebo olej, klouzání kapaliny mezi oběma deskami vytváří pouze tečný tlak nebo sílu rovnoběžnou k oběma deskám. Avšak některé kapaliny, jako jsou polymerní směsi a roztoky, se chovají odlišným způsobem. Kromě tečného tlaku také reagují s kladným normálovým tlakem, tedy silou, která působí kolmo (ve směru normály) k oběma deskám. Výsledný jev způsobuje odtlačování obou desek od sebe. Před asi 25 lety výzkumníci studovali kapalné krystalické polymery (velmi tuhé rovné molekuly rozpuštěné v kapalině z nízkou molekulovou hmotností) a pozorovali, že tyto kapaliny přitahují dvě rovnoběžné desky k sobě. Tento záporný normálový tlak se objevoval jen zřídka a pozorování obsahovala rozpory. Občas byl pozorován pro některé složité měkké látky. Proto tento jev fyzikové začali studovat systematicky.

V novém příkladu tohoto jevu (kontakt: Erik Hobbie, NIST, [M1]) byla rozptýlena polotekutá suspenze uhlíkových nanotrubiček v newtonovské polymerní směsi. Když byly tyto suspenze uvedeny do pomalého toku podél rovnoběžných desek, trubičky se navzájem provázaly a vytvořily difúzní shluky. Tyto shluky se skládají z pevných uhlíkových nanotrubiček, které mají značnou pružnost. Tato pružnost způsobuje, že shluky narůstají a pomalu se valí jako klády dřeva.

Jiný vědecký tým (Matteo Pasquali, Rice University, [M2]) zkoumal koncentrovaný roztok drobných kapének vody v olejové emulzi. V tomto případě existuje mezi kapénkami přitažlivá síla. Když je tento roztok uveden do pomalého pohybu, kapénky vytvářejí přesně stejný typ valících se shluků, jako v případě uhlíkových nanotrubiček, a projevují se záporným normálovým tlakem. První systém je polotekutá suspenze nanotrubiček a druhý systém je koncentrovaná suspenze kapének. Přestože se oba systémy zásadně odlišují, projevují se stejným chováním. Proto se předpokládá, že v pozadí stojí určitý univerzální fyzikální jev, který bude nutné podrobněji prostudovat.

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 674. February 23, 2004 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.