Przełomowe badania fal ultrazimnych atomów mogą zaowocować powstaniem wyrafinowanych laserów atomowych, będących w stanie przewidywać erupcje wulkaniczne na Ziemi i sporządzić mapę ewentualnych oceanów pod lodową skorupą na jowiszowym księżycu Europie.

Manipulując atomami, udało się doprowadzić do uformowania czystych paczek falowych zwanych solitonami, zachowujących swój kształt i rozmiar. Zostały one stworzone w laboratorium na Uniwersytecie Rice w Houston w ramach grantu finansowanego przez będący częścią NASA Biological and Physical Research Program.

Zwykle gdy formuje się fala (na wodzie, świetlna lub atomowa), ma ona tendencję do rozciągania się w czasie poruszania się. Nie jest tak jednak w przypadku fal solitonowych. Zachowują one idealnie swój pierwotny kształt. Na Uniwersytecie Rice solitonami są paczki fal atomowych.

Solitony te mogą być używane w zaawansowanych technologicznie laserach, używających atomów zamiast fotonów światła. Dr Randall Hulet, fizyk i astronom z Uniwersytetu Rice kierujący badaniami stwierdził, że lasery mogą mieć wiele zastosowań, trudnych obecnie do przewidzenia.

Czterdzieści lat temu nikt nie przypuszczał, że lasery mogą być używane do odtwarzania muzyki w samochodach lub odczytywania cen w kasach sklepowych” – stwierdził Hulet. “Rzuciliśmy zaledwie okiem na ten zaskakujący fenomen kwantowy i nie jesteśmy w stanie na razie powiedzieć, co z tego może wyjść“.

Hulet stwierdził, że lasery mogą wspomóc badania fluktuacji grawitacyjnych i umożliwić umiejscowienie oraz pomiary wód podziemnych, surowców mineralnych, ropy, jaskiń i magmy wulkanicznej.

Lasery mogą też zwiększyć możliwości urządzeń badających Ziemię i inne ciała niebieskie w Układzie Słonecznym” – powiedział dr Lute Maleki, specjalista z Quantum Gravity Gradient Project (Projekt Kwantowej Grawitacji) w JPL. “Dzięki tym urządzeniom będziemy w stanie stworzyć trójwymiarowe mapy obiektów znajdujących się w skorupach ciał niebieskich. Mierząc poziomy magmy, uczeni będą w stanie przewidzieć erupcje wulkaniczne. Technologii będzie można również użyć do badań wodnego oceanu znajdującego się najprawdopodobniej pod powierzchnią Europy, lodowego księżyca Jowisza“.

Lasery mogą też dostarczyć instrumentów do dokładnej żyroskopowej nawigacji w czasie lotów w atmosferze i przestrzeni kosmicznej. Komputery pracowałyby szybciej, gdyby lasery atomowe mogły zapisywać dane bezpośrednio w układach scalonych.

Pierwsze obserwacje fal solitonowych zostały wykonane w 1834 roku, kiedy to grający w polo Szkot zobaczył barkę zatrzymującą się gwałtownie w kanale. Powstała wtedy fala, która poruszała się z prędkością kilkunastu kilometrów na godzinę bez zmniejszania swoich rozmiarów i kształtu. Jadąc konno, mężczyzna obserwował falę na odcinku około półtora kilometra, aż stracił ją z oczu w zakolu kanału. Uczeni wiedzą obecnie, że ten wodny soliton powstał z powodu szczególnej zależności pomiędzy głębokością i szerokością kanału.

W swoim laboratorium Hulet i jego zespół zagęścili atomy litu polem magnetycznym, ochłodzili je światłem laserowym do temperatury miliard razy niższej niż temperatura pokojowa i ukształtowali z nich poruszającą się wiązkę. Atomy znalazły się w stanie tzw. kondensatu Bosego-Einsteina. Jest to stan kwantowy, gdzie prawa klasycznej fizyki ustępują miejsca prawom rządzącym atomami. Zamiast zderzać się ze sobą, atomy łączą się razem i poruszają się jako całość.

Wynik prac został opublikowany 9 maja w tygodniku Nature.

Autor

Michał Matraszek