Sobota 24. července 2021, svátek má Kristýna
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet
  • Sobota 24. července 2021 Kristýna

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...

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:
  • Nejčtenější

Opravdová vesmírná turistika začala. Bezos s hosty strávili minuty v kosmu

O něco málo více než deset minut trvala celá cesta od startu do přistání pro čtyři vesmírné turisty, kteří se v úterý...

Rusko ukázalo novou „neviditelnou“ stíhačku. Šach mat má vzlétnout za dva roky

Rusko představilo chystaný „neviditelný“ letoun 5. generace. Stíhačka s přezdívkou Šach mat má jeden motor, v budoucnu...

První velký export vojenské techniky z ČSR po roce 1945 mířil do Švýcarska

Mezi velké exportéry zbraní patřilo i malé Československo. Většina jeho zbrojního exportu mezi lety 1945 a 1989 šla...

Jak začalo strategické bombardování a budování první protivzdušné obrany

Pod pojmem letecký souboj si většina lidí představí boj dvou letounů. V počátcích letectví se však utkávaly i letouny...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Objevte utajenou nabídku Windows 10 a hned si ji přizpůsobte

Tlačítko Start kromě klasické nabídky v sobě ukrývá i jednu další. Méně známou. Jmenuje se Power menu a slouží k...

Ze sbírky na pohřeb Roma pozůstalí nedostali nic. Byl to podvod

Premium Měl mít velkolepý pohřeb. Balzamování, bíle lakovaná rakev z Ameriky, kočár tažený vraníky... Rodina Roma, který zemřel...

Klaus: Volby nic nepřinesou. Kolem covidismu a genderismu se bude chodit po špičkách

Premium Každý z nás by se měl sám rozhodnout, jakou míru opatrnosti vůči nákaze covidem chce zvolit, říká přesvědčeně bývalý...

Česko formuje domobranu. Výcvik může podstoupit každý, kdo má zbrojní průkaz

Premium Stát zakázal ozbrojené skupiny a lidem nabídl alternativu: absolvujte speciální kurz a můžete Česku pomáhat se zbraní....

  • Další z rubriky

STO OBJEVŮ: Neúnavného pracanta, spalovací motor, využíváme dodnes

Seriál Přede i burácí pod kapotou aut, pohání pracovní stroje, lidem ubral spoustu namáhavé dřiny. Spalovací motor patří k...

Jak vzniká duha? Není to jen krásný nebeský úkaz, skrývá mnoho tajemství

Premium Viděli jsme ji stokrát, a stejně pokaždé vykřikneme: Koukej, duha! Když venku prší a zároveň svítí sluníčko, můžeme na...

Událost, která vyhubila dinosaury, přichází průměrně za 500 milionů let

Nové poznatky o kosmickém zabijákovi dinosaurů ukazují, že Chicxulubský asteroid byl temný kosmický tulák. Na zkoumání...

STO OBJEVŮ: Edwards přinesl s asistovanou reprodukcí štěstí mnoha rodičům

Seriál Neplodné páry měly po staletí smůlu. Dokud se v roce 1978 neobjevila asistovaná reprodukce. Od té doby se z narození...

Zemřel slovenský herec Milan Lasica, zkolaboval přímo na jevišti

Ve věku 81 let zemřel slovenský herec Milan Lasica. Web sme.sk uvedl, že vystupoval se skupinou Bratislava Hot...

Možná neadoptujeme. Příprava s psycholožkou byla škola, říká Viktor Vincze

Viktor Vincze (30) promluvil o plánované adopci dítěte i návštěvách psycholožky, které absolvovali s manželkou Adélou...

Petr Rajchert si změnil příjmení a potřetí se oženil, manželka je těhotná

Zakládající člen kapely Chinaski Petr Hradil (rodným příjmením Rajchert) se v třiapadesáti letech potřetí oženil. Po...

Holanová: Rozvod s Šípem? Do vztahu se nám vloudila mlaďounká chybička

Rozhovor s Marcelou Holanovou vznikal v Chateau Šanov na soustředění s finalisty soutěže Muž roku 2021. Zpěvačka, která...

Zemřel František Nedvěd. Folkové legendě se vrátila rakovina plic

V třiasedmdesáti letech zemřel v neděli folkový muzikant František Nedvěd. Prohrál boj s rakovinou plic. Úmrtí na...