Pátek 30. září 2022, svátek má Jeroným, Ráchel
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet
  • Pátek 30. září 2022 Jeroným, Ráchel

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:
  • Nejčtenější

Je redaktor užitečný idiot? Odpovídáme čtenáři rozčílenému elektromobily

Jen málokterá technologie polarizuje společnost tak jako elektromobilita. Někteří jí nekriticky fandí, jiní ji...

Nejjasnější pohled za 30 let. Webbův teleskop vyfotil prstence planety Neptun

Vesmírný teleskop Jamese Webba prokázal své další schopnosti. Americká vesmírná agentura NASA zveřejnila nové snímky...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

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

NASA testovala obranu Země před vesmírným tělesem, sonda zasáhla asteroid

Sonda DART americké vesmírné agentury NASA zasáhla v úterý podle plánu měsíc planetky Didymos. Šlo o první test obrany...

Zabte je, než vylezou na břeh. I „hořící moře“ mělo zastavit německou invazi

Seriál Po neúspěšných diplomatických nabídkách se Hitler odhodlal k vypracování plánů na invazi do Británie. Britům bylo...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

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

Tuto technologii nejspíš používáte, ale dost možná ne naplno. Co vše umí NFC

Premium Používá se denně k bezkontaktnímu placení, ale také k tisku, párování sluchátek, načtení jídelního lístku, otevření...

Sověti ozářili Richarda Nixona radioaktivitou. Jeho agenti to zastavili trikem

Premium Při návštěvě v Sovětském svazu Richard Nixon sice přátelsky hovořil se sovětským vůdcem Nikitou Chruščovem v takzvané...

Test kočičích kapsiček. I z krmiva za deset korun může zvíře dostat vše

Premium Kočky nám sice někdy připadají mlsné, ale ony jen v miskách hledají to, co jejich tělu prospívá nejvíc: maso plné...

Extra steh po porodu navíc? Rodičky děsí ponižující husband stitch

Premium Přivést dítě na svět znamená pro většinu žen prožít si mnoho vypjatých chvil. Vyrovnat se s průběhem porodu nemusí být...

Vědci identifikovali patrně nejhorší den v dějinách života na Zemi

O katastrofě na konci křídy se většinou mluví poněkud opatrně jako o ekologické katastrofě velkého rozsahu, která měla...

Revoluční ultrazvuková náplast dokáže dva dny monitorovat vnitřní orgány

Vědci z Massachusettského technologického institutu (MIT) vynalezli náplast, která dokáže snímat ultrazvukem vnitřnosti...

Znečištění ovzduší může „probudit“ poškozené buňky a vyvolat rakovinu

Rakovina plic je nejvíce spojována s kouřením, ale roli hrají při vzniku tohoto onemocnění i další faktory. Nově vědci...

Světlo v noci narušuje imunitní systém, rozbíjí biologické hodiny, říká expert

Premium Říká si světlonoš, ve skutečnosti by nejraději zhasínal. „Biorytmy všech organismů se kdysi řídily jen sluncem a...

RECENZE: Pro Pokáče byla O2 arena příliš velkým soustem

Z hlediska návštěvnosti skončil koncert písničkáře Pokáče v O2 areně maximálním úspěchem - pár hodin před začátkem...

Přístroje zjistily výbuchy u Nord Streamu. Úmyslný čin, tvrdí Švédsko

Švédské a dánské měřicí stanice v pondělí zaznamenaly masivní podmořské výbuchy, a to v místech, kde z plynovodu Nord...

Příběh Marty: Syn si přivedl domů přítelkyni, je to líná špindíra

Se synem jsme měli vždycky hezký vztah. Naším společným plánem bylo, že jednou s námi zůstane žít v našem domě v...

Úmrtní list Alžběty II. odhalil příčinu i čas smrti královny

Britská královna Alžběta II. zemřela na stáří. Vyplývá to z jejího úmrtního listu, který ve čtvrtek zveřejnil skotský...

Slovensko vře kvůli cenám elektřiny. Největší výrobce hrozí bankrotem

Největšímu výrobci elektřiny na Slovensku, společnosti Slovenské elektrárne, se příčí dodávání elektřiny slovenským...