Premium

Získejte všechny články
jen za 89 Kč/měsíc

Vyfotil jeden jediný atom. Stačil běžný foťák a složitá past

Atomy jsou pouhým okem neviditelné, to víme všichni. Ale pokud je správně nasvítíte a připravíte pro ně vhodné „pódium“, situace se trochu změní.

Snímek zachycující jediný atom stroncia v tzv. iontové pasti. Atom je uprostřed mezery mezi dvěma hroty ve středu obrázku. Pro představu, skutečná délka mezery je cca 2,3 milimetru. | foto: David Nadlinger, Oxford Univesity

Vyhlašování soutěže o nejlepší vědeckou fotografii britské grantové ceny EPSRC (viz Wikipedie) nesledují obvykle agenturní zpravodajové se zatajeným dechem. Ovšem vítězná fotografie letos v únoru vyhlášeného ročníku zaujala a rychle se objevila v médiích po celém světě.

Pořídil ji postgraduální student David Nadlinger z Oxfordské univerzity a řekněme rovnou, že neukazuje nic převratného. Slibuje naopak něco, co si dokáže představit každý laik: atom viditelný očima - či přesněji obyčejným fotoaparátem. (Autor použil Canon 5D Mk II, objektiv EF 50mm f/1.8.)

Najdete ho v samotném středu obrázku. Tečka, kterou vidíte, je skutečně odraz světla od jediného atomu stroncia ve zhruba dvoumilimetrové mezeře mezi hroty „pasti“, která ho drží na místě. Jak je to možné?

Řekněme rovnou pro jistotu, že jde vlastně o iluzi. Stroncium samozřejmě nemá atomy velké tak, aby byly vidět pouhým okem. Na poměry atomárního světa tedy rozhodně nejsou malé, ale i tak se jejich velikost měří na zlomky nanometrů (cca 0,251x10-9 metru), je zhruba desettisíckrát menší než nejmenší objekt, který reálně může lidské oko zahlédnout.

Detail snímku jediného atomu stroncia v tzv. iontové pasti.

Atom v centru obrázku je osvětlený modrým laserovým světlem a my vidíme záři odráženého světla. Kterého je ovšem málo, a proto byl snímek pořízen s 30sekundovou expozicí. Je to podobné jako u hvězd na obloze: i ty jsou ve skutečnosti vlastně menší než obraz, který vytváří naše oko a mozek. 

Jak chytit atom do pasti

Z vědeckého hlediska snímek neobsahuje žádné překvapivé informace a nic nového z něj nejde vyčíst. Ale to neznamená, že zachycuje nesmyslný pokus. Zachycení jednotlivých atomů je velmi zajímavá technika, díky které se o jejich chování a vlastnostech můžeme dozvědět spoustu zajímavého.

Už několik desetiletí se k tomu v laboratořích používají pasti tvořené elektromagnetickým polem ve vakuové komoře. Samozřejmě past nefunguje pro neutrální atomy, ale výhradně na ionty. Jejich „výroba“ probíhá ozařováním proudu neutrálních atomů stroncia laserem. Atom v podstatě drží na místě kombinace polí vytvářených „hroty“ (elektrodami) po stranách snímku a především elektrod nad a pod ním. Tedy, abych nebyli úplně nepřesní: atomy samozřejmě nestojí, v podstatě „vibrují“ zhruba na stejném místě. 

Grafické znázornění tvaru elektromagnetického pole, který vězní atomy v iontové pasti. Elektrody (celkem čtyři, jedna není příliš vidět) jsou znázorněné jako červené plochy. Atom „sedí“ zhruba v místě vyznačeném červeným kroužkem. Na první pohled to nevypadá jako příliš stabilní poloha, ale ve skutečnosti pole velmi rychle osciluje - přepíná se s frekvencí několika megahertzů. V tu chvíli už „sedlo“, kde se atom nachází, je pro něj stabilním útočištěm. Úplně stejný jev byste mohli vidět v praxi s míčem a jezdeckým sedlem. Pokud sedlo stojí, míče na něj nepostaví. Pokud byste ho ovšem správně roztočili kolem středu, míč se na něm udrží. Pokud nevěříte, najděte si na YouTube třeba výraz „Rotating Saddle“. A ještě dodejme, že dvě boční elektrody, které na snímku nejsou, pracují se stejnoměrným napětím, jsou to v podstatě takové „špunty“ na obou koncích pasti.

Světlo, které se na atomu odráží, a díky kterému ho můžeme vidět, dodává hustá síť modrých laserů (vlnová délka je přesně 397 nanometrů). Ty neslouží v pasti k osvětlování, primárně mají za účel zachycené atomy zchladit na teploty z laického pohledu v podstatě rovné absolutní nule. To je nadále „zklidní“ (sníží jejich kinetickou energii), aby bylo možné pak s atomy manipulovat, například pro potřeby výzkumu kvantových výpočetních postupů atp.

Chlazení atomů laserem je technicky velmi komplikovaná záležitost, která vyžaduje nejen chytrý přístup, ale také extrémní pečlivost a přesnost. Zachycené ionty přicházejí o energii při srážkách s fotony laserového světla - velmi podobně jako vy přijdete o energii, když pro vás v běhu někdo hodí fotbalový míč. Jeden vás nezpomalí moc, ale když jich bude dost, udrží vás na místě. 

Frekvence laseru musí být naprosto přesně „vyladěna“, a to s přesností na jednu stotisícinu procenta. Jinak foton atomem proletí bez efektu.

Ovšem přesně naladit rezonanční frekvenci iontu, který chcete zachytit, nestačí. Objevuje se totiž jiný problém: pokud foton poletí proti atomu ve chvíli, kdy ten se pohne opačným směrem, srážka atom zpomalí (a ochladí). Ale co když se atom zrovna pohne opačným směrem, směrem od laseru? V tu chvíli ho přece srážka urychlí...

Protože směr pohybu atomu v danou chvíli nejde předpovídat, zdá se to jako neřešitelný problém. Řešení ovšem samozřejmě existuje a je jím využití tzv. Dopplerova jevu. Ten říká, že frekvence záření se mění podle směru, kterým se při pozorování pohybujete. Jinými slovy: když se dostatečně rychle blížíte ke zdroji světla/zvuku, bude vypadat/znít jinak, než když pojedete (znovu dostatečně rychle, aby byl efekt dost výrazný) směrem od něj. Jedno velmi jednoduché přirovnání říká, že je to jako s auty na dálnici: i když je aut v obou směrech stejně, cestou minete více aut v protisměru než v tom vašem. Kdybyste ale stáli na mostě nad dálnicí, viděli byste jich stejně.

Laser je tak vyladěný těsně pod rezonanční frekvenci zachyceného iontu (tedy v případě snímku stroncia). Iont ho tak pohltí jen v případě, že se zrovna pohybuje proti proudu laserových fotonů a frekvence laseru se z jeho hlediska zvýší. Jinak ho bude ignorovat.

Samozřejmě v praxi to ještě podstatně složitější než na papíře. Naučit se postavit a správně provozovat iontovou past s téměř dokonalým vakuem, chlazením na extrémně nízké teploty a správně nastavenou laserovou sítí není nic triviálního. Ale když už se vám to podaří, můžete vyfotit i světlo odrážející se od jednoho jediného atomu.

Autor:

Kingdom Come: Deliverance 2

Pokračování úspěšného českého RPG Kingdom Come: Deliverance vychází již 4. února 2025 na PC, PS5, Xbox Series X a Series S.

Nejčtenější

Kolem Země krouží její možná budoucí zkáza. Každých šest let je „na dohled“

Vědci nevylučují, že Zemi v roce 2182 zničí srážka s asteroidem Bennu. Na naší planetě by to způsobilo méně slunečního svitu a pokles teplot, domnívají se. Kamenitý objekt zvaný Bennu je klasifikován...

Mars poutá pozornost zvláštní čtvercovou strukturou. Prozkoumat ji chce Musk

Mars pro nás má neustále nějaká překvapení. Respektive se mohou zdát překvapivé některé jeho útvary, které můžeme pozorovat na snímcích rudé planety. Nově se pozornost zaměřuje na oblast, kterou v...

Apple představil nová sluchátka. Lákají na funkci, kterou konkurence dávno má

Čekalo se, že Apple představí sluchátka Powerbeats Pro 2 spolu s telefonem iPhone SE. Jenže smartphone nikde, a sluchátka se navzdory tomu v tichosti objevila v nabídce. Jsou určena pro sportovce a...

Cestující v ohrožení: Ze sestřelů je hlavní příčina pádů civilních letadel

Minulý týden vyšlo najevo, že se v troskách letadla ázerbájdžánských aerolinií, které havarovalo dva dny po Vánocích, našly fragmenty rakety z ruského protiletadlového systému. Teorie o sestřelu...

O prvních sovětských proudových stíhačkách si Křídla vlasti dost zapřeháněla

První proudovou stíhačkou ve výzbroji sovětského letectva byl Jak-15. Tento do jisté míry primitivní stroj vznikl přemotorováním pístového Jaku-3. A přestože poprvé vzlétl na jaře 1946 a v roli...

Další technologický skok. První živě vysílanou operou byly Smetanovy Dvě vdovy

V únoru 1925 se uskutečnil historicky první rozhlasový přímý přenos opery v Československu z jeviště Národního divadla. Na programu byly Dvě vdovy od Bedřicha Smetany.

14. února 2025

Vojáci zkoumali ezobláboly jako ze Stranger Things. Teď se šíří internetem

Uživatelé sociálních sítí, zejména TikToku, si našli podivnou zábavu. Diskutují o odtajněné zprávě z mumbo-jumbo programu americké armády. Jeho hlavní náplň mělo být telepatické špehování na dálku....

14. února 2025

Nedobrovolný pobyt astronomů na ISS skončí dříve, i tak přesluhují měsíce

Již osmý měsíc tráví na palubě Mezinárodní vesmírné stanice dvojice astronomů, kteří tam vyrazili v lodi Starliner od společnosti Boeing. Ta se nakonec po problémech vrátila bez nich, a oni čekají na...

13. února 2025  17:09

Jasanky i skialpy. Lyžaři v Janských Lázních slaví zapomenuté mistrovství

Janské Lázně si připomínají 100 let od prvního mistrovství světa v lyžování. Závod v únoru 1925 přilákal do Krkonoš přes dvě stovky závodníků. Lyžařská federace jej prohlásila mistrovstvím světa až s...

4. února 2025  8:53,  aktualizováno  13.2 10:15

Adam Mišík o svém handicapu: Mohli jsme to léčit, ale rodiče nechtěli

Že by znal podobnou situaci z vlastního života, Adam Mišík popírá. Ale zahrál si ji rád. Ve filmu Holka od vedle je...

Nakreslili mi tečky na obličej a dekolt. Pět let tajila práci na Kingdom Come 2

Zatímco česká středověká hra Kingdom Come: Deliverance 2 právě zažívá zasloužený úspěch, práce na motion capture, tedy...

To nechci, proč mi to Google nainstaloval do mobilu? Uživatelé se bouří

V posledních týdnech začal Google instalovat do telefonů s Androidem novou systémovou aplikaci, která má uživatele...

Po Pirátech z Karibiku jsem rok chodila na psychoterapie, přiznala Knightley

Keira Knightley (39) se rozpovídala o tom, jaký vliv měla filmová série Piráti z Karibiku na její hereckou kariéru....

Patří mezi nejkrásnější ženy světa a shání partnera. Její nároky jsou vysoké

Janaina Prazeresová je považována za jednu z nejkrásnějších žen světa. Podle magazínu Playboy je její vzhled absolutní...