Zvětšit obrázek

Nanosystém pro tvorbu PEP částic. Kredit: Fundamental Research on Matter (FOM).

Když ochladíme bosonový plyn na teplotu nesmírně blízkou absolutní nule, tak se z něj stane velmi svérázná látka, ve které má většina atomů minimální kvantovou energii a v níž se kvantové jevy projevují na makroskopické úrovni, takzvaný Boseho‑Einsteinův kondenzát. Jednotlivé atomy v něm ztratí svoji individualitu a stanou se jedinou superčásticí. Poprvé ho vyrobili Cornell a Wieman v roce 1995, když plyn tvořený atomy rubidia zchladili na ďábelských 170 nanokelvinů. V roce 2001 za to byla Nobelova cena za fyziku.

Jaime Gómez Rivas. Kredit: FOM Institute AMOLF.

Potřeba extrémního chladu při Boseho‑Einsteinově, nebo též kvantové kondenzaci souvisí s hmotností kondenzovaných částic. Čím jsou použité částice hmotnější, tím nižší teplotou je nutné je zmrazit. Tento vztah motivoval pátrání po částicích, které by byly tak lehké, že by je bylo možné kvantově zkondenzovat při dostupnějších teplotách. Cílem tohoto snažení pak je nalezení částic, s nimiž by to bylo možné provést při pokojové teplotě.

Zvětšit obrázek

Boseho‑Einsteinův kondenzát. Tři v čase po sobě následující grafy ukazují hustotu atomů rubidia, oblast kvantového kondenzátu bíle. Kredit: NIST/JILA/CU-Boulder.

S velmi zajímavým kandidátem na kvantovou kondenzaci v pokoji teď přišli Jaime Gómez Rivas z nizozemského FOM institutu AMOLF ve Vědeckém parku Amsterdam a jeho kolegové. Povedlo se jim vytvořit nový typ hybridní částice, extrémně lehký plazmon‑exciton‑polariton (PEP částice). Tyto částice – chiméry tvoří 1. důvěrně známé fotony, 2. plazmony, čili kvazičástice vytvářené oscilacemi elektronového plynu v pevných látkách a 3. excitony, kvazičástice vznikající jako vázaný stav mezi elektronem a elektronovou dírou.

Zvětšit obrázek

AMOLF (2012). Kredit: Grace Joseph, Wikimedia Commons.

Gómez Rivas a spol. sestavili mřížku ze stříbrných nanotyček, kterou potáhli tenkou ochrannou vrstvou nitridu křemíku a nad ní zase vrstvou polymeru a organických molekul, které svítí. Když do tohoto nanosystému pustili energii, tak začal vyrábět PEP částice. Vědci díky promyšlenému konceptu propojení fotonů, plazmonů a excitonů nakonec vyrobili PEP částice, které byly bilionkrát lehčí než atomy. Právě díky zcela nepatrné hmotnosti jsou hybridní PEP částice důstojnými kandidáty pro experimenty s kvantovou kondenzací při pokojové teplotě. To se ale zatím ještě nepovedlo, protože PEP částice prozatím nejsou příliš životaschopné. V použitém nanosystému se totiž ztrácí energie, hlavě kvůli absorpci ve stříbrných nanotyčkách.

Honba za kvantovou kondenzací není jenom soukromou libůstkou nanofotoniků. Až tento výzkumný tým či někdo jiný nakonec uspěje, tak se nepochybně objeví celá řada zajímavých aplikací. PEP částice jsou z velké části tvořené fotony. Když se rozpadnou, tak vyzáří světlo unikátních vlastností, které bude možné využít v nových optických zařízeních. Přímo v laboratořích FOM institutu AMOLF se teď snaží podobnými technologiemi vylepšit stávající LEDky. Možná není tak daleko doba, kdy nám bude doma svítit Boseho‑Einsteinův kondenzát.

Literatura

Foundation for Fundamental Research on Matter News 21. 10. 2013, Physical Review Letters 111: 166802, Wikipedia (Bose–Einstein condensate).