Atomi-üregmikroszkóp<br/>

A Kaliforniai Műszaki Egyetem (Caltech) fizikaprofesszora, H. Jeff Kimble és munkatársai atomi-üregmikroszkópot készítettek, amellyel sikerült nyomon követniük egy optikai rezonátor üregében egyetlen fotonnal pályához kötött cézium-atom mozgását.

Az atomot a fény gyenge sugárzási tere tartja fogva, és ugyanaz a tér az atom üregbeli mozgásának a követésére is felhasználható. Az eredmény fontos előrelépés a kvantumszámítógépeket és -kommunikációt lehetővé tevő technológiák kidolgozásában.

Az atomi-üregmikroszkóp vázlata

E "mikroszkopikus tánc" színpada egy optikai üreg, amelyet két, egymástól mindössze 10 mikron távolságra szembeállított, nagy visszaverő-képességű tükör hoz létre. A tükröknek olyan nagy a visszaverő-képessége, hogy a közéjük kerülő fotonok több százezerszer is oda-vissza verődnek közöttük, mielőtt átszökhetnének valamelyiken. Így egyetlen üregbe zárt foton is olyan erős elektromos teret hozhat létre, amely befolyásolhatja egy atom mozgását, sőt, akár bizonyos pályán is tarthatja: eközben az atom és az üreg ugyanazon a gerjesztési kvantumon osztoznak. "Szeretem úgy elképzelni a dolgot, mint egy atom-üreg molekulát - mondta Christina Hood, a Caltech-csoport egyik tagja. - Egy molekulában két atom feladja önállóságát, mindegyikük feláldozza néhány elektronját, amelyeken megosztoznak, s így valami minőségileg egészen mást hoznak létre. Ehhez nagyon hasonló, ahogy a mi kísérletünkben az atom és az üreg fotonokon megosztozva kapcsolódik egymáshoz."

De hogyan "látják" a kutatók, valójában mi is zajlik le a parányi optikai rendszerben? A Caltech-csoport és más kutatók már korábban is használtak hasonló üregeket rajtuk keresztülrepülő atomok kimutatására. Ehhez megvilágították az üreg egyik tükrét, és mérték a másik tükörről kiszökő fényt. "Az üreg hasonló rezonátor a fény számára, mint egy félig telt szódásüveg a hangnak - magyarázta Hood. - Lényegében ugyanazt csináljuk, mint amikor egy megütött hangvillát közelítünk az üveghez, és fülelünk, hogy rezonál-e a hangra. Csak akkor halljuk megcsendülni, ha éppen megfelelő mennyiségű víz van az üvegben." Ebben az esetben, meglepő módon, az egyedi atom játssza az üvegben levő víz szerepét, amely jelenlétével vagy hiányával drámai módon befolyásolja az üreg rezonanciatulajdonságait. Az üregből kilépő fény mennyiségét megmérve a kutatók meg tudják mondani, hogy van-e az üregben atom, vagy nincs. A mostani kísérlet ehhez képest figyelemreméltó előrelépést jelent a tekintetben, hogy most már azt is pontosan meg tudják mondani, hogy az atom hol helyezkedik el a sugárzási térben, s így fel tudják venni az atom két tükör közti mozgásának "filmjét". (Példák ezen a címen tekinthetők meg.)

A filmeken az üreg fogságába esett atomok láthatók, amelyeknek a pályája a tükrökkel párhuzamos síkba esik. Az atomok keringési ideje 150 milliomod másodperc körüli, a pályasugaruk pedig (az üreg középső tengelyétől mérve) nem nagyobb 20 mikronnál. Kimble és csoportja az atomok helyzetét 2 mikronos pontossággal, 10 milliomod másodperces időközönként tudta megmérni. Ez tette lehetővé, hogy az atomok pályáját meghatározzák. "Az atom és az üreg sugárzás tere közti kölcsönhatás két szempontból is nagyon előnyös - mondta Kimble. - Egyfelől, már egyetlen foton sugárzási tere is elegendően nagy erőt fejt ki ahhoz, hogy az atomot csapdában tartsa. Másfelől, ami ennél sokkal fontosabb, az erős kölcsönhatás a mozgások olyan érzékeny nyomon követését teszi lehetővé, amely korábban lehetetlen volt."

Cézium-atomok rekonstruált pályái az üreg tengelyére merőleges síkokban

A mikrovilágban, ahol a kvantumfizika törvényei uralkodnak, a Heisenberg-féle határozatlansági összefüggés szerint a rendszeren elvégzett bármilyen mérés óhatatlanul befolyásolja annak későbbi fejlődését. Ez az elv nagy kihívás a fizikusok számára, mivel a kvantumszámítógépek és más kvantumtechnológiák működtetéséhez egyedi kvantumrendszereket kell ellenőrzés alatt tartani. A Kimble-csoport a Caltech egy másik professzorával, Hideo Mabuchival együttműködve a kutatást most olyan irányba terjesztené ki, amellyel a vegyi és biokémiai reakciókban részt vevő, biológiailag fontos molekulák viselkedését figyelhetnék meg.

(Élet és Tudomány)

Ajánló:

A kísérletek leírása, további információkkal és videókkal a Caltech honlapján.