Nagrodą Nobla z fizyki podzielili się Eric A. Cornell (USA), Wolfgang Ketterle (Niemcy) i Carl E. Wieman (USA) za otrzymanie nowego stanu materii, tzw. kondensatu Bosego-Einsteina, a także za pierwsze badania jego własności.

Eric Alli Cornell Urodził się 19 grudnia 1961 r. w Palo Alto w słonecznej Kalifornii. W młodości podróżował, był m.in. nauczycielem języka angielskiego w Taichung na Tajwanie. W 1985 r. skończył fizykę na Stanfordzie. Studiował także w prestiżowym Massachusetts Institute of Technology (MIT) w Bostonie. Od 1990 r. pracuje w Joint Institute for Laboratory Astrophysics na University of Colorado w Boulder. Zajmuje się m.in. spektroskopią pojedynczych jonów, laserami chłodzącymi i eksperymentami na atomach wewnątrz włókien światłowodowych. J. Cornell jest jednym z najmłodszych laureatów Nobla, ma zaledwie 39 lat.

Rzadko zdarza się, by Komitet Noblowski nagrodził odkrycie całkiem świeże - dokonane ledwie sześć lat temu. Rankiem 5 czerwca 1995 r. Eric Cornell i Carl Wieman z Uniwersytetu Kolorado jako pierwsi ludzie przez kilkanaście sekund obserwowali nowy stan materii, w jaki wprowadzili rozrzedzony gaz atomów rzadkiego metalu alkalicznego rubidu.


Możliwość przejścia materii w taki kondensat teoretycznie została przewidziana przez Alberta Einsteina i Satyendrę Natha Bose'go już ponad 80 lat temu. Nikt jednak przewidywań teoretycznych geniuszy nie potrafił urzeczywistnić w laboratorium.
Kondensat Bosego-Einsteina powstaje w szczególnych warunkach - w skrajnie niskich temperaturach, rzędu 0,000 000 001 kelwina (powyżej zera bezwzględnego) i w wysokiej próżni. "Ten stan materii nie mógłby w sposób naturalny zaistnieć nigdzie we Wszechświecie - powiedział po odkryciu Cornell - tak więc próbka w naszym laboratorium jest jedyną próbką we Wszechświecie, chyba że istnieje w jakimś laboratorium innego układu planetarnego" (warto przypomnieć, że najniższa naturalna temperatura występująca we Wszechświecie wynosi 3 K). W takich warunkach trzeba utrzymać w jednym miejscu chmurę atomów za pomocą specjalnej pułapki - magnetycznej bądź laserowej. Wszystkie atomy schłodzone do tak niskiej temperatury znajdują się wtedy w jednym podstawowym stanie kwantowym - o najniższej energii. Oznacza to, że atomy te, w liczbie 5-10 mln, które w normalnych temperaturach poruszają się chaotycznie, w kondensacie zachowują się identycznie, tak jakby były jednym wielkim atomem (niektórzy fizycy mówią "superatomem"). W takim stanie materii nie można odróżnić jednego atomu od drugiego - wszystkie są identyczne i znajdują się w tym samym miejscu.

Wolfgang Ketterle 43 lata. Ukończył politechnikę w Monachium. Niemiec od lat mieszkający w USA. Doktorat obronił w 1986 r. na uniwersytecie w Monachium i w Instytucie Optyki Kwantowej w Garching (Niemcy). Od 1993 r. jest profesorem fizyki w słynnym Massachusetts Institute of Technology w Cambridge (USA). To właśnie sprzęt skonstruowany przez Ketterlego i wymyślone nowatorskie metody eksperymentalne umożliwiły badania kondensatu Bosego-Einsteina (BEC). Ketterle zrobił pierwszy laser "strzelający" atomami przeprowadzonymi w stan BEC, pierwszy również zmierzył prędkość rozchodzenia się dźwięku w kondensacie.

Sama przemiana przypomina nieco kondensację - skraplanie się cieczy z gazu, dlatego też nowy stan zwany jest kondensatem. Jeśli zwykłą ciecz porównać do chaotycznie poruszającego się tłumu atomów, to kondensat Bosego-Einsteina przypomina armię kroczącą równym, defiladowym krokiem. Ponieważ zgodnie z fizyką kwantową każdy atom może zachowywać się jak fala, to w nowym stanie materii fale poszczególnych atomów ulegają podobnemu nałożeniu i wzmocnieniu jak cząstki światła (fotony) w wiązce laserowej. Atomy gazu tworzą więc jedną wielką spójną falę materii, której można przyglądać się gołym okiem!
Tak, jak światło jest nie tylko falą, lecz i chmurą cząstek, tak i kondensat Bosego-Einsteina pokazał własności falowe. Pierwszy zaobserwował je zespół prowadzony przez Wolfganga Ketterlego (Niemcy) w Massachusetts Institute of Technology - trzeciego z tegorocznych noblistów w zaledwie dwa lata od pierwszego dokonania Cornella i Wiemana. Uczeni zbudowali prymitywne urządzenie, które można byłoby nazwać pierwszym laserem atomowym.


Kluczem do sukcesu było tylko zamrożenie gazu w niezwykle niskiej temperaturze, zaledwie setki miliardowych stopnia wyższej od zera absolutnego. To się udało Ericowi Cornellowi i Carlowi Wiemanowi.

Oświetlając wiązką laserową kondensat Bosego-Einsteina, udało się za pomocą kamery CCD uzyskać obraz jego cienia. Kolory odpowiadają stopniowi absorpcji światła: natężenie czerwieni jest proporcjonalne do gęstości atomów; kolor niebieski to tzw. negatywna absorpcja, czyli przezroczystość materii. Zdjęcie z lewej - 120 000 atomów w temperaturze 590 nK (590 miliardowych stopnia powyżej zera bezwzględnego), z prawej - 20 000 atomów w temperaturze 100 nK. Badany kondensat miał kształt zbliżony do kuli i średnicę około 3 mikrometrów

Jak to zrobili? Badacze wytworzyli w niewielkiej szklanej komorze próżnię i wstrzeliwali do środka atomy rubidu. Następnie oświetlali naczynie promieniami lasera, co doprowadziło do nagłego odparowywania atomów. Potem dobierając odpowiednią sekwencję błysków kilku innych wiązek laserowego światła, zabierali (zamiast dodawać) energię atomom, tak że ich temperatura gwałtownie spadła do poziomu kilku tysięcznych części kelwina.
Aby ostudzone atomy nie stykały się z "gorącymi" ściankami naczynia, dwa elektromagnesy utrzymywały rubidowy gaz dokładnie pośrodku komory. Temperatura była jednak wciąż za wysoka. Należało więc dobrać takie natężenie pól magnetycznych, by atomy o wyższej temperaturze (czyli poruszające się najszybciej) mogły uciec z pułapki. Wtedy też te atomy, które pozostały w naczyniu, były już naprawdę "piekielnie" zimne - temperatura ich spadła do 170 nanokelwinów (1,7x10-7 kelwina)! I wtedy właśnie straciły indywidualne właściwości i chęć do poruszania się każdy po swojemu i zamieniły w kondensat Bosego-Einsteina. Stan ten udało się utrzymać przez ponad 15 sekund, a więc jak na współczesną fizykę przez "całą wieczność".

Carl Wieman Urodził się 26 marca 1951 roku w Oregonie. Fizykę studiował w Massachussetts Institute of Technology. Od 1984 r. pracuje i wykłada na University of Colorado. Zajmuje się m.in. wykorzystaniem laserów do badań atomów. Przez ostatnie dziesięć lat próbował przy pomocy laserowego promieniowania chłodzić i zamykać atomy w "pułapce". Jest współwłaścicielem trzech patentów wykorzystujących wiedzę o laserach w praktyce.

Jak tylko Cornell i Wieman wytyczyli drogę, w wielu laboratoriach na świecie nauczono się bardzo szybko przeprowadzać gazy różnych atomów (rubidu, litu, sodu) w stan kondensatu Bosego-Einsteina.


Naukowcy podają możliwości zastosowania kondensatu Bosego-Einsteina i lasera atomowego:

Jako nowe narzędzie badawcze. Zwykłym laserem można dziś zajrzeć w głąb cząsteczek i poznać mechanizm licznych procesów, jakie zachodzą np. podczas chemicznych reakcji. Dzięki laserom atomowym być może poznamy lepiej budowę materii na poziomie kwantowym.

Do układania pojedynczych atomów na powierzchniach różnych substancji z niespotykaną do tej pory dokładnością. To umożliwi np. stworzenie miniaturowych tranzystorów, przełączników, układów złożonych tylko z pojedynczych atomów. W dalszej perspektywie można spodziewać się dalszej miniaturyzacji całej elektroniki.

Do zwiększenia dokładności zegarów atomowych. Według takich zegarów reguluje się wszystkie pozostałe zegarki na świecie. Używane są także do najdokładniejszych pomiarów czasu w eksperymentach fizycznych i astronomicznych.

---