A leghidegebb anyagok a világon nem az Antarktiszon vannak.
Nem a Mount Everest csúcsán
vagy egy gleccser mélyén,
hanem fizikai-laboratóriumokban:
hajszálnyival az abszolút nulla fölött tartott gázfelhők.
Ez 395 milliószor hidegebb, mint a hűtőnk.
100 milliószor hidegebb, mint a folyékony nitrogén,
és 4 milliószor hidegebb, mint a világűr.
Ez az alacsony hőmérséklet ablakot nyit a tudósoknak
az anyagok belső működésének megismeréséhez
és a mérnökök ezáltal hihetetlenül érzékeny műszereket építhetnek,
amelyek sokkal többet árulnak el mindenről,
kezdve pontos helyzetünkről a földön, egésze addig,
hogy mi történik az univerzum legtávolabbi pontján.
Hogyan állítunk elő ennyire extrém hőmérsékleteket?
Röviden, a mozgásban lévő részecskék lelassítása által.
Amikor hőmérsékletről beszélünk, valójában mozgásról beszélünk.
Az atomok, amelyek a szilárd anyagokat,
a folyadékokat és gázokat alkotják,
folyton mozgásban vannak.
Amikor az atomok gyorsabban mozognak, az anyagot forrónak érzékeljük.
Amikor lassabban, akkor hidegnek.
Hogy a mindennapi életben egy forró tárgyat vagy gázt lehűtsünk,
betesszük egy hidegebb környezetbe, mint például egy hűtőbe.
A meleg tárgy atomi mozgásainak egy része átadódik a környezetnek,
ezért lehűl.
De van ennek egy határa:
még a világűr is túl meleg ahhoz, hogy ultra alacsony hőfokot érjünk el.
Ezért a tudósok kitaláltak egy módszert az atomok közvetlen lelassítására -
lézersugárral.
Legtöbbször
a lézersugár energiája felmelegíti a dolgokat.
De ha nagyon pontosan használják,
a sugár hajtóereje leállíthatja az atomok mozgását, ezáltal lehűtve őket.
Ez történik abban a szerkezetben, amelyet mágneses optikai csapdának nevezünk.
Az atomokat bejuttatják egy vákuumkamrába,
ahol egy mágneses mező a középpont felé vonzza őket.
A kamra közepére irányított lézersugár
épp a megfelelő frekvenciára van hangolva úgy,
hogy felé haladó atom felveszi a lézersugár fotonját és lelassul.
A lelassulás az atom és foton közötti
momentumátvitelből származik.
Összesen hat sugár egymásra merőlegesen elrendezve biztosítja,
hogy az atomok bármely irányból is jönnek, be legyenek fogva.
A középpontban, ahol a sugarak metszik egymást,
az atomok lomhán mozognak, mintha sűrű folyadékban lennének -
a kutatók, akik ezt kifejlesztették, a hatást "optikai melasz"-nak nevezik.
Egy ilyen mágneses optikai csapda
képes az atomokat néhány mikrokelvinre --
kb. -273 Celsius fokra lehűteni.
Ezt a technikát 1980-as években fejlesztették ki,
és a tudósok, akik közreműködtek,
1997-ben Nobel-díjat kaptak felfedezésükért.
Azóta a lézerhűtést továbbfejlesztették, hogy alacsonyabb hőmérsékletet érjenek el.
De miért akarnánk az atomokat ennyire lehűteni?
Először is, a hűtött atomok segítségével kiváló detektorokat lehet készíteni.
Ha az atom energiaszintje kicsi,
hihetetlenül érzékeny a környezeti változásokra.
Ezt felhasználják föld alatti olaj- és ásványlelőhelyeket kereső eszközökben,
és nagyon pontos atomórákban,
mint amilyenek a helyzetmeghatározó műholdakban vannak.
Másodszor, a hideg atomok óriási lehetőséget adnak
a fizika határainak vizsgálatánál.
Extrém érzékenységük tökéletes jelöltté teszi őket
a gravitációs hullámok vizsgálatánál a jövőbeni űr-bázisú detektorokban.
Hasznosak továbbá az atomi és szubatomi jelenségek vizsgálatánál,
ahol az atomok energiájának hihetetlen apró ingadozását kell mérni.
Normál hőmérsékleten nem érzékelhetők ezek az ingadozások,
amikor az atomok sebessége több száz méter per másodperc.
A lézerhűtés az atomot csupán pár cm/s-re lelassítja -
ahol az atomi kvantumkölcsönhatás okozta mozgás megfigyelhetővé válik.
Az ultra hideg atomok már lehetővé tették, hogy a tudósok tanulmányozzanak
olyan jelenségeket, mint a Bose-Einstein kondenzáció,
amelyben az abszolút nulla közelébe lehűtött atomok
egy ritka, új halmazállapotba kerülnek.
Tehát a fizika törvényeinek megértésére
és az univerzum rejtélyeinek megfejtésére irányuló kutatásaik során
a leghidegebb atomok segítségét fogják igénybe venni.