Najzimniejszy materiał na świecie nie znajduje się na Antarktyce.
Nie jest też na szczycie Everestu
ani w środku lodowca,
tylko w laboratoriach fizycznych.
To chmury gazów ułamki stopnia powyżej zera absolutnego.
To 395 milionów razy zimniej od lodówki,
100 milionów razy zimniej od ciekłego azotu,
i 4 miliony razy zimniej od kosmosu.
Tak niskie temperatury dają naukowcom wgląd w wewnętrzne działanie materii
i pozwalają inżynierom budować niesamowicie czułe narzędzia,
które dostarczają nam danych,
od dokładnej lokalizacji planet
aż po to, co się dzieje w najdalszych zakątkach wszechświata.
Jak tworzy się tak niskie temperatury?
W skrócie - przez spowolnienie ruchu cząsteczek.
Gdy mówimy o temperaturze, tak naprawdę mamy na myśli ruch.
Atomy, z których składają się ciała stałe,
ciecze,
oraz gazy
cały czas są w ruchu.
Kiedy atomy poruszają się szybciej, odczuwamy to jako ciepło.
Kiedy poruszają się wolniej, odczuwamy to jako zimno.
By schłodzić gorący przedmiot lub gaz
umieszczamy go w chłodnym środowisku, na przykład w lodówce.
Część ruchu atomów gorącego przedmiotu przenosi się do otoczenia
i dzięki temu się schładza.
Ale istnieje pewna granica.
Nawet kosmos jest za ciepły, by stwarzać ultra niskie temperatury.
Naukowcy wymyślili więc sposób, by spowalniać atomy bezpośrednio
- za pomocą lasera.
W większości wypadków
energia lasera zwiększa temperaturę.
Ale użyta w szczególny sposób
wiązka lasera może zatrzymać ruch atomów, schładzając je.
Takie urządzenie nazywamy pułapką magneto-optyczną.
Atomy są umieszczane w komorze próżniowej,
a pole magnetyczne przyciąga je do środka.
Wiązka lasera wycelowana w środek komory
ma odpowiednią częstotliwość,
dzięki czemu atom pochłania jej foton i zwalnia.
Spowolnienie jest efektem przekazania pędu
między atomem a fotonem.
Sześć prostopadłych wiązek lasera zapewnia,
że wiązka napotka atom, niezależnie od kierunku ruchu.
W środku, gdzie spotykają się wiązki,
atomy poruszają się powoli, jakby uwięzione w gęstej cieczy.
Nazywamy ten efekt "melasą optyczną".
Magneto-optyczna pułapka umie
schłodzić atomy do kilku mikrokelwinów,
czyli około -273 stopni Celsjusza.
Technika została odkryta w latach 80. XX wieku,
a naukowcy, którzy przyczynili się do odkrycia,
otrzymali nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1997 roku.
Później schładzanie laserem udoskonalono, by osiągać jeszcze niższe temperatury.
Ale po co tak bardzo schładzać atomy?
Po pierwsze, zimne atomy są świetnymi wykrywaczami.
Mając tak mało energii,
są niesamowicie czułe na wahania w środowisku.
Używa się ich w urządzeniach wykrywających złoża oleju i minerałów.
Można ich też użyć jako dokładnych zegarów atomowych,
stosowanych w satelitach nawigacyjnych.
Po drugie, schłodzone atomy, mają ogromny potencjał
w badaniu rubieży fizyki.
Ich czułość sprawia, że nadają się
do wykrywania fal grawitacyjnych w kosmosie.
Są też przydatne w badaniu zjawisk atomowych i cząstek elementarnych,
wymagających mierzenia niewielkich wahań energii atomów,
niewykrywalnych w normalnej temperaturze,
kiedy atomy mają prędkość setek metrów na sekundę.
Schładzanie laserem może spowolnić atomy do kilku centymetrów na sekundę,
wystarczająco, by zjawiska kwantowe były dobrze widoczne.
Ultrazimne atomy pozwoliły naukowcom zbadać zjawiska
takie jak kondensat Bosego-Einsteina,
w którym atomy są schłodzone prawie do zera absolutnego
i przechodzą w rzadki nowy stan materii.
W poszukiwaniu zrozumienia praw fizyki
i rozwiązania zagadki wszechświata
naukowcy skorzystają z pomocy bardzo zimnych atomów.