‹#› XII. Nízké teploty KOTLÁŘSKÁ 12. KVĚTNA 2010 F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr 2009 - 2010 ‹#› Fyzika nízkých teplot ‹#› 3 Existence absolutní nuly • Absolutní nula teploty pro ideální plyn definována vztahem a podmínkou nulové kinetické energie. • Pro všechny další systémy se použije transitivnosti teploty pro tělesa v kontaktu (vzájemné tepelné rovnováze) • Absolutní nula není dostižitelná konečným procesem (3. zákon termodyn.) • Zvláštní jevy, makroskopické kvantové jevy, jako supravodivost, v blízkosti nuly. Ovšem co je „blízkost“ ? Vysokoteplotní supravodivost, život, … ‹#› 4 Existence absolutní nuly • Absolutní nula teploty pro ideální plyn definována vztahem a podmínkou nulové kinetické energie. • Pro všechny další systémy se použije transitivnosti teploty pro tělesa v kontaktu (vzájemné tepelné rovnováze) • Absolutní nula není dostižitelná konečným procesem (3. zákon termodyn.) • Zvláštní jevy, makroskopické kvantové jevy, jako supravodivost, v blízkosti nuly. Ovšem co je „blízkost“ ? Vysokoteplotní supravodivost, život, … ‹#› 5 Existence absolutní nuly • Absolutní nula teploty pro ideální plyn definována vztahem a podmínkou nulové kinetické energie. • Pro všechny další systémy se použije transitivnosti teploty pro tělesa v kontaktu (vzájemné tepelné rovnováze) • Absolutní nula není dostižitelná konečným procesem (3. zákon termodyn.) • Zvláštní jevy, makroskopické kvantové jevy, jako supravodivost, v blízkosti nuly. Ovšem co je „blízkost“ ? Vysokoteplotní supravodivost, život, … II. III. I. Teploměrná látka Systém I. (ideální plyn) ‹#› 6 Existence absolutní nuly • Absolutní nula teploty pro ideální plyn definována vztahem a podmínkou nulové kinetické energie. • Pro všechny další systémy se použije transitivnosti teploty pro tělesa v kontaktu (vzájemné tepelné rovnováze) • Absolutní nula není dostižitelná konečným procesem (3. zákon termodyn.) • Zvláštní jevy, makroskopické kvantové jevy, jako supravodivost, v blízkosti nuly. Ovšem co je „blízkost“ ? Vysokoteplotní supravodivost, život, … II. III. I. Teploměrná látka Systém I. (ideální plyn) ‹#› 7 Existence absolutní nuly • Absolutní nula teploty pro ideální plyn definována vztahem a podmínkou nulové kinetické energie. • Pro všechny další systémy se použije transitivnosti teploty pro tělesa v kontaktu (vzájemné tepelné rovnováze) • Absolutní nula není dostižitelná konečným procesem (3. zákon termodyn.) • Zvláštní jevy, makroskopické kvantové jevy, jako supravodivost, v blízkosti nuly. Ovšem co je „blízkost“ ? Vysokoteplotní supravodivost, život, … II. III. I. Teploměrná látka zaměněna Systém II. (reálná soustava) ‹#› 8 Existence absolutní nuly • Absolutní nula teploty pro ideální plyn definována vztahem a podmínkou nulové kinetické energie. • Pro všechny další systémy se použije transitivnosti teploty pro tělesa v kontaktu (vzájemné tepelné rovnováze) • Absolutní nula není dostižitelná konečným procesem (3. zákon termodyn.) • Zvláštní jevy, makroskopické kvantové jevy, jako supravodivost, v blízkosti nuly. Ovšem co je „blízkost“ ? Vysokoteplotní supravodivost, život, … II. III. I. Teploměrná látka zaměněna Systém II. (reálná soustava) ‹#› 9 Existence absolutní nuly • Absolutní nula teploty pro ideální plyn definována vztahem a podmínkou nulové kinetické energie. • Pro všechny další systémy se použije transitivnosti teploty pro tělesa v kontaktu (vzájemné tepelné rovnováze) • Absolutní nula není dostižitelná konečným procesem (3. zákon termodyn.) • Zvláštní jevy, makroskopické kvantové jevy, jako supravodivost, v blízkosti nuly. Ovšem co je „blízkost“ ? Vysokoteplotní supravodivost, život, … II. III. I. Teploměrná látka zaměněna Systém II. (reálná soustava) ‹#› 10 Existence absolutní nuly • Absolutní nula teploty pro ideální plyn definována vztahem a podmínkou nulové kinetické energie. • Pro všechny další systémy se použije transitivnosti teploty pro tělesa v kontaktu (vzájemné tepelné rovnováze) • Absolutní nula není dostižitelná konečným procesem (3. zákon termodyn.) • Zvláštní jevy, makroskopické kvantové jevy, jako supravodivost, v blízkosti nuly. Ovšem co je „blízkost“ ? Vysokoteplotní supravodivost, život, … ‹#› 11 Existence absolutní nuly • Absolutní nula teploty pro ideální plyn definována vztahem a podmínkou nulové kinetické energie. • Pro všechny další systémy se použije transitivnosti teploty pro tělesa v kontaktu (vzájemné tepelné rovnováze) • Absolutní nula není dostižitelná konečným procesem (3. zákon termodyn.) • Zvláštní jevy, makroskopické kvantové jevy, jako supravodivost, v blízkosti nuly. Ovšem co je „blízkost“ ? Vysokoteplotní supravodivost, život, … ‹#› 12 Existence absolutní nuly • Absolutní nula teploty pro ideální plyn definována vztahem a podmínkou nulové kinetické energie. • Pro všechny další systémy se použije transitivnosti teploty pro tělesa v kontaktu (vzájemné tepelné rovnováze) • Absolutní nula není dostižitelná konečným procesem (3. zákon termodyn.) • Zvláštní jevy, makroskopické kvantové jevy, jako supravodivost, v blízkosti nuly. Ovšem co je „blízkost“ ? Vysokoteplotní supravodivost, život, … Porovnat teplotu s charakteristickými energiemi ‹#› 13 Teploty ve vesmíru Stupnice nitra hvězd hvězdné atmosféry komety, planety … …. reliktní záření jako minimum mlhovina Bumerang (souhvězdí Kentaura) 106 - 108 K 103 - 104 K 101 - 102 K ~ 2,72 K 1,15 K ‹#› 14 Teploty ve vesmíru Stupnice nitra hvězd hvězdné atmosféry komety, planety … …. reliktní záření jako minimum mlhovina Bumerang (souhvězdí Kentaura) Pozemský rekord -89,3oC«183.75 K 1983 Antarktida stanice Vostok 106 - 108 K 103 - 104 K 101 - 102 K ~ 2,72 K 1,15 K ‹#› 15 Teploty ve vesmíru Stupnice nitra hvězd hvězdné atmosféry komety, planety … …. reliktní záření jako minimum mlhovina Bumerang (souhvězdí Kentaura, objevena 1998, teplota určena 2003) důvod: rychlá expanse plynů z centrální hvězdy Pozemský rekord -89,3oC«183.75 K 1983 Antarktida stanice Vostok 106 - 108 K 103 - 104 K 101 - 102 K ~ 2,72 K 1,15 K The Boomerang Nebula. ‹#› 16 Nízké teploty v laboratoři (jen výběr !!) Teplotní rekordy 1877 Pictet kapalný kyslík? 1895 von Linde kap. vzduch 1898 Dewar kapalný vodík 1905 von Linde kap. dusík 1908 Kamerlingh-Onnes kapalné helium odsávané helium 1933 paramagn. demagnet. 1951 H. London rozpouštěcí refrigerátor 1956 Kurti NDR (jaderná …) 1985 Hänsch laserové chlazení (princip) Objevy 1911 Kamerlingh-Onnes supravodivost kovů 1937 Kapica supratekutost Helia-4 1972 Osheroff supratekutost Helia-3 1986 Müller a Bednorz vysokoteplot. supravodivost 1995 Wieman, … Ketterle BEC v atomových parách Teorie 1924 Einstein Bose-Einsteinova kondensace 1939 Landau teorie supratekutosti 1947 Bogoljubov teorie supratekutosti 1956 BCS * teorie supravodivosti 1975 Leggett teorie supratekutosti Helia-3 K 77 22 4,2 0,3 mK mK nK pK *Bardeen, Cooper a Schrieffer ‹#› 17 Nízké teploty v laboratoři (jen výběr !!) Teplotní rekordy 1877 Pictet kapalný kyslík? 1895 von Linde kap. vzduch 1898 Dewar kapalný vodík 1905 von Linde kap. dusík 1908 Kamerlingh-Onnes kapalné helium odsávané helium 1933 paramagn. demagnet. 1951 H. London rozpouštěcí refrigerátor 1956 Kurti NDR (jaderná …) 1985 Hänsch laserové chlazení (princip) o tom dnes rekord okolo 100 pK Objevy 1911 Kamerlingh-Onnes supravodivost kovů 1937 Kapica supratekutost Helia-4 1972 Osheroff supratekutost Helia-3 1986 Müller a Bednorz vysokoteplot. supravodivost 1995 Wieman, … Ketterle BEC v atomových parách Teorie 1924 Einstein Bose-Einsteinova kondensace 1939 Landau teorie supratekutosti 1947 Bogoljubov teorie supratekutosti 1956 BCS * teorie supravodivosti 1975 Leggett teorie supratekutosti Helia-3 K 77 22 4,2 0,3 mK mK nK pK *Bardeen, Cooper a Schrieffer ‹#› 18 Nízké teploty v laboratoři (jen výběr !!) Teplotní rekordy 1877 Pictet kapalný kyslík? 1895 von Linde kap. vzduch 1898 Dewar kapalný vodík 1905 von Linde kap. dusík 1908 Kamerlingh-Onnes kapalné helium odsávané helium 1933 paramagn. demagnet. 1951 H. London rozpouštěcí refrigerátor 1956 Kurti NDR (jaderná …) 1985 Hänsch laserové chlazení (princip) o tom dnes rekord okolo 100 pK Objevy 1911 Kamerlingh-Onnes supravodivost kovů 1937 Kapica supratekutost Helia-4 1972 Osheroff supratekutost Helia-3 1986 Müller a Bednorz vysokoteplot. supravodivost 1995 Wieman, … Ketterle BEC v atomových parách Teorie 1924 Einstein Bose-Einsteinova kondensace 1939 Landau teorie supratekutosti 1947 Bogoljubov teorie supratekutosti 1956 BCS * teorie supravodivosti 1975 Leggett teorie supratekutosti Helia-3 K 77 22 4,2 0,3 mK mK nK pK *Bardeen, Cooper a Schrieffer ‹#› 19 Nízké teploty v laboratoři (jen výběr !!) Teplotní rekordy 1877 Pictet kapalný kyslík? 1895 von Linde kap. vzduch 1898 Dewar kapalný vodík 1905 von Linde kap. dusík 1908 Kamerlingh-Onnes kapalné helium odsávané helium 1933 paramagn. demagnet. 1951 H. London rozpouštěcí refrigerátor 1956 Kurti NDR (jaderná …) 1985 Hänsch laserové chlazení (princip) o tom dnes rekord okolo 100 pK Objevy 1911 Kamerlingh-Onnes supravodivost kovů 1937 Kapica supratekutost Helia-4 1972 Osheroff supratekutost Helia-3 1986 Müller a Bednorz vysokoteplot. supravodivost 1995 Wieman, … Ketterle BEC v atomových parách Teorie 1924 Einstein Bose-Einsteinova kondensace 1939 Landau supratekutost (fenom.) 1947 Bogoljubov teorie supratekutost (mikrosk.) 1956 BCS * supravodivost kovů 1975 Leggett supratekutost Helia-3 K 77 22 4,2 0,3 mK mK nK pK *Bardeen, Cooper a Schrieffer ‹#› 20 Naše hlavní téma dnes a příště Teplotní rekordy 1877 Pictet kapalný kyslík? 1895 von Linde kap. vzduch 1898 Dewar kapalný vodík 1905 von Linde kap. dusík 1908 Kamerlingh-Onnes kapalné helium odsávané helium 1933 paramagn. demagnet. 1951 H. London rozpouštěcí refrigerátor 1956 Kurti NDR (jaderná …) 1985 Hänsch laserové chlazení (princip) o tom dnes rekord okolo 100 pK Objevy 1911 Kamerlingh-Onnes supravodivost kovů odsávané helium 1937 Kapica supratekutost Helia-4 1972 Osheroff supratekutost Helia-3 1986 Müller a Bednorz vysokoteplot. supravodivost 1995 Wieman, … Ketterle BEC v atomových parách Teorie 1924 Einstein Bose-Einsteinova kondensace 1939 Landau teorie supratekutosti 1947 Bogoljubov teorie supratekutosti 1956 BCS teorie supravodivosti 1975 Leggett teorie supratekutosti Helia-3 K 77 22 4,2 0,3 mK mK nK pK *Bardeen, Cooper a Schrieffer ‹#› 21 Naše hlavní téma dnes a příště Teplotní rekordy 1877 Pictet kapalný kyslík? 1895 von Linde kap. vzduch 1898 Dewar kapalný vodík 1905 von Linde kap. dusík 1908 Kamerlingh-Onnes kapalné helium odsávané helium 1933 paramagn. demagnet. 1951 H. London rozpouštěcí refrigerátor 1956 Kurti NDR (jaderná …) 1985 Hänsch laserové chlazení (princip) o tom dnes rekord okolo 100 pK Objevy 1911 Kamerlingh-Onnes supravodivost kovů odsávané helium 1937 Kapica supratekutost Helia-4 1972 Osheroff supratekutost Helia-3 1986 Müller a Bednorz vysokoteplot. supravodivost 1995 Wieman, … Ketterle BEC v atomových parách Teorie 1924 Einstein Bose-Einsteinova kondensace 1939 Landau teorie supratekutosti 1947 Bogoljubov teorie supratekutosti 1956 BCS teorie supravodivosti 1975 Leggett teorie supratekutosti Helia-3 K 77 22 4,2 0,3 mK mK nK pK *Bardeen, Cooper a Schrieffer ‹#› Jaderná adiabatická demagnetisace ‹#› 23 Chlazení jadernou adiabatickou demagnetisací NDR nuclear demagnetization refrigeration elektrony Te pevná látka mřížkové kmity TL tL mřížková relax. doba jádra tLS spin-mřížková relax. doba jaderné spiny TS tS spin-spinová relax. doba ‹#› 24 Chlazení jadernou adiabatickou demagnetisací NDR nuclear demagnetization refrigeration elektrony Te pevná látka mřížkové kmity TL tL mřížková relax. doba jádra tLS spin-mřížková relax. doba jaderné spiny TS tS spin-spinová relax. doba ‹#› 25 Chlazení jadernou adiabatickou demagnetisací NDR nuclear demagnetization refrigeration elektrony Te pevná látka mřížkové kmity TL tL mřížková relax. doba jádra tLS spin-mřížková relax. doba jaderné spiny TS tS spin-spinová relax. doba Pokud je uvnitř podsystémů rychlá termalisace, může nerovnovážný systém být popsán pomocí několika teplot těchto podsystémů V rovnováze se teploty všech podsystémů vyrovnají – po uplynutí nejdelší vzájemné relaxační doby Spin-mřížková relaxace je pomalá! Můžeme proto generovat nerovnovážnou velmi nízkou spinovou teplotu ‹#› 26 Princip chlazení jadernou adiabatickou demagnetisací entropie jako funkce teploty ‹#› 27 Princip chlazení jadernou adiabatickou demagnetisací entropie jako funkce teploty míra orientační neuspořádanosti lokální pole jako míra spinových interakcí chování podle 3. zákona termodyn. ‹#› 28 Princip chlazení jadernou adiabatickou demagnetisací I. KROK izotermická magnetizace Entropie s magnetickým polem klesá º snižuje se orientační neuspořádanost II. KROK adiabatická demagnetizace Teplota a vnitřní energie klesají I. II. ‹#› 29 Princip chlazení jadernou adiabatickou demagnetisací I. KROK izotermická magnetizace Entropie s magnetickým polem klesá º snižuje se orientační neuspořádanost II. KROK adiabatická demagnetizace Teplota a vnitřní energie klesají I. II. ‹#› 30 Kryostat, kde byla dosažena rekordní teplota 100 pK Helsinki University of Technology YKI, Low Temperature Group 2000 1.Předchlazení 0,7 K čerpáním helia 2.První stupeň: rozpouštěcí refrigerátor 3 mK 3.Druhý stupeň: NDR v mědi <0,1 mK 4.Třetí stupeň: NDR v samotném vzorku: monokrystal Rh <1 nK ‹#› 31 Spinová magnetická susceptibilita monokrystalu rhodia ‹#› 32 Spinová magnetická susceptibilita monokrystalu rhodia paramagnet (nezávislé spiny) ‹#› 33 Spinová magnetická susceptibilita monokrystalu rhodia Curie-Weissův zákon jaderné spiny v rhodiu … antiferomagnetické uspořádání ‹#› 34 Spinová magnetická susceptibilita monokrystalu rhodia V těchto extrémních podmínkách • vzorek je ovládán prostřednictvím spinů, na které působí magnetické pole • sám vzorek ( jeho spinový podsystém) působí jako chladicí medium • měření pomocí nízkofrekvenční NMR udává susceptibilitu i statickou limitu (polarisaci) • primární veličinou je právě polarisace, s níž přímo souvisí entropie vzorku jako základní termodynamická veličina • teplota je odvozena z reakce na tepelné pulsy podle schematu: ‹#› 35 Odehnal ‹#› Laserové chlazení atomů ‹#› 37 Nobelisté I. Medal Steven Chu Claude Cohen-Tannoudji William D. Phillips third third third The Nobel Prize in Physics 1997 "for development of methods to cool and trap atoms with laser light" Steven Chu Claude Cohen-Tannoudji William D. Phillips 1/3 of the prize 1/3 of the prize 1/3 of the prize USA France USA Stanford University Stanford, CA, USA Collège de France; École Normale Supérieure Paris, France National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD, USA b. 1948 b. 1933 (in Constantine, Algeria) b. 1948 ‹#› 38 Jednoduché schema brzdění atomů Na Na Na excitovaný atom, zmenšená hybnost spontánní emisí se atom deexcituje, foton je v průměru emitován všemi směry ‹#› 39 Rozdělení rychlostí po průchodu brzdným svazkem původní Maxwell ‹#› 40 Na Na Na excitovaný atom, zmenšená hybnost spontánní emisí se atom deexcituje, foton je v průměru emitován všemi směry Jednoduché schema brzdění atomů zpomalované atomy přestávají rezonovat s laserovým paprskem JE NUTNO PRŮBĚŽNĚ OBNOVOVAT NALADĚNÍ • změnou frekvence laseru zachováme rezonanci s atomy Chirped laser cooling • změnou rezonanční frekvence atomů při zachování frekvence laseru Zeeman laser cooling ‹#› 41 ladění pomocí Zeemanova jevu Zpomalený atom není již v resonanci (Dopplerův posun). Možno kompensovat rozštěpením čar v magnetickém poli … úměrno B K tomu konický solenoid ‹#› 42 Zlepšený brzdný účinek původní Maxwell parasitní jev ‹#› 43 Aparatura podle W. Phillipse magnetická past Zpomalené atomy doletěly do pasti a tam zastaveny dodatečným pulsem ‹#› 44 Kvadrupólová magnetická past ‹#› 45 Dopplerovo chlazení Princip popsali Hänsch a Schawlov 1985 (oba NP, ale za jiné věci) atomy v tepelném pohybu laser laser zpomaluje atomy letící vlevo resonančně, silně zrychluje atomy letící vpravo mimo resonanci, slabě zpomaluje atomy letící vpravo resonančně, silně zrychluje atomy letící vlevo mimo resonanci, slabě ‹#› 46 Dopplerovo chlazení Princip popsali Hänsch a Schawlov 1985 (oba NP, ale za jiné věci) atomy v tepelném pohybu laser laser zpomaluje atomy letící vlevo resonančně, silně zrychluje atomy letící vpravo mimo resonanci, slabě zpomaluje atomy letící vpravo resonančně, silně zrychluje atomy letící vlevo mimo resonanci, slabě souběžný pohyb protipohyb laser ‹#› 47 Dopplerovo chlazení Princip popsali Hänsch a Schawlov 1985 (oba NP, ale za jiné věci) atomy v tepelném pohybu laser laser zpomaluje atomy letící vlevo resonančně, silně zrychluje atomy letící vpravo mimo resonanci, slabě zpomaluje atomy letící vpravo resonančně, silně zrychluje atomy letící vlevo mimo resonanci, slabě protipohyb souběžný pohyb laser rozladění se mění podle teploty ‹#› 48 Dopplerovo chlazení Princip popsali Hänsch a Schawlov 1985 (oba NP, ale za jiné věci) atomy v tepelném pohybu laser laser zpomaluje atomy letící vlevo resonančně, silně zrychluje atomy letící vpravo mimo resonanci, slabě zpomaluje atomy letící vpravo resonančně, silně zrychluje atomy letící vlevo mimo resonanci, slabě protipohyb souběžný pohyb laser rozladění se mění podle teploty mezní teplota ‹#› 49 Tři zkřížené svazky: 3D Dopplerovo chlazení je třeba 20 000 fotonů k zastavení z pokojové teploty brzdná síla je pak úměrná rychlosti: viskózní prostředí, „syrup“ Pro intensivní laser je to otázka milisekund ‹#› 50 Dopplerovo chlazení: realisace Chu ‹#› 51 Dopplerovo chlazení: realisace Chu ‹#› 52 Změřená teplota Pod Dopplerovou mezí 240 mK … dodatečné chlazení tzv. Sisyfovým jevem objasnil Cohen-Tannoudji ‹#› 53 Užitečnost laserového chlazení - delší pozorovací doba umožňuje lepší zkoumaní (spektroskopie) - vytvoření a studium Boseova-Einsteinova kondenzátu plynů - atomový laser (Wolfgang Ketterle, 1996) - atomové hodiny s vysokou přesností (navigace) Atomové pasti otevřely nové oblasti výzkumu, včetně vytvoření a studia Boseova-Einsteinova kondenzátu (viz Vesmír 75, 32, 1996/1) a prototypu atomového laseru (na tomto úsilí se podílí mnoho různých laboratoří, jeho hlavními protagonisty jsou D. Kleppner, T. Greytak, E. Cornell a W. Ketterle). Možné aplikace zahrnují atomové hodiny s výrazně zvýšenou přesností (nutnou např. k navigaci, a to na zemi i ve vesmíru) či atomovou litografii, potřebnou k výrobě mikroelektronických součástek nové generace. V minulém roce skupina J. Doyla na Harvardově univerzitě vypracovala nový přístup k chlazení a chytání atomů. Ke zpomalení atomu používají místo světla srážky se studeným nárazníkovým plynem (heliem), který je sám chlazen kryogenním zařízením. Na rozdíl od hrstky atomových druhů, které lze chladit laserovým zářením, je tato metoda nezávislá na energetických hladinách chlazených částic. Proto je aplikovatelná nejen na atomy, ale také na molekuly. Chlazení nárazníkovým plynem kombinované s magnetickou pastí tak dovoluje chytat zhruba 70 % prvků v periodické soustavě. Podobně jako se začínají otevírat nové možnosti použití atomové pasti, je pravděpodobné, že k podobným výsledkům povedou i pasti molekulové, s možným dopadem nejen na chemii, ale také na biologii. ‹#› The end