АТОМНАЯ КИНЕТИКА

В 1656 г. Христиан Гюйгенс (1629–1695) изобрел маятниковые часы со спусковым механизмом, точность хода которых составляла ±10 с в день. Для середины XVII в. это было огромное достижение. Спустя сотню лет английский механик Дж.Гаррисон создал первый пригодный для практического использования морской хронометр, ошибка хода которого не превышала 1 с за 3 дня. Такой точности хода было вполне достаточно, чтобы начать навигацию в открытом море-океане. Именно во второй половине XVIII в. Англию стали величать владычицей морей.

Первые кварцевые часы появились на свет в 1927 г. Их неточность была менее 1 с за 30 лет хода. После второй мировой войны, во время которой была создана атомная бомба, ученые построили первые атомные (квантовые) часы, которые были на порядок точнее кварцевых. Но даже такая точность не устраивала физиков, занимавшихся раскрытием тайн элементарных частиц.

В конце ХХ в. с помощью лазера удалось создать первые действительно атомные часы. Лазерный луч охлаждал пучок атомов цезия до такой степени, что каждый из них практически переставал двигаться. Это позволило весьма точно измерить частоту излучаемого им света, близкую к почти девяти миллиардам колебаний в секунду. Точность таких часов уже просто умопомрачительная: они ошибаются на 1 с за двадцать миллионов лет!

Сейчас в Пасаденской лаборатории НАСА* (Лос-Анджелес) построены часы, в которых линейная ионная ловушка с помощью электрического поля лазерного излучения удерживает ионы ртути. Обращение к более массивному элементу обусловлено тем, что атом ртути излучает кванты света с большей частотой, а это повышает точность измерений времени до 0,5 фемтосекунды (0,5•10^–15 с). Точность хода таких часов потрясает еще сильнее: они ошибаются на 1 с уже за 150 миллионов лет!

Подобная точность имеет большое значение и для химии, в частности при изучении кинетики химических реакций. Мы привыкли к тому, что многие реакции не протекают самопроизвольно из-за высокого энергетического барьера. Лишь при подведении к исходной системе реагентов достаточной энергии активационный барьер преодолевается, на пике энергетического профиля вдоль координаты реакции возникает быстроисчезающее переходное состояние, при этом одни химические связи рвутся, а другие образуются. Продукты химической реакции обычно «скатываются» в энергетические ямы. Классическим примером тому является диоксид СО₂, который скрыт в миллиардах тонн мела и известняка…

В общем-то мало кому приходит в голову, что вышеизложенное является наследием романтического этапа развития науки времен Я.Х.Вант-Гоффа (1852–1911) и Ф.А.Кекуле
(1829–1896), которые выдвинули некие гипотезы, подтверждаемые до сих пор лишь косвенно, но никак уж не прямыми экспериментальными методами. Оно и понятно, если учесть, что до сих пор никому не удалось избавиться от термических движений систем, которые всякий слабый полезный сигнал попросту заглушают.

Изобретение лазерных атомных и ионных ловушек, без которых немыслима спутниковая навигация и мобильные телефоны, позволило также и химической кинетике впервые встать на твердую почву. Еще больше положение упрочилось, когда летом 1995 г. был впервые получен атомный конденсат Бозе–Эйнштейна (ниже использована английская аббревиатура ВЕС).

Этот конденсат представляет собой совокупность атомов, ведущих себя когерентно, т.е. едино. Достигается такое единение почти при абсолютном нуле температуры. В свое время подобное состояние впервые было получено нашими физиками для гелия. Но гелий весьма легкий элемент, поэтому сверхтекучесть его наблюдается «в жару» – при температуре в десятые доли градуса Кельвина.

Для более тяжелых элементов сверхтекучесть когерентного состояния удается достичь только при нанодолях градуса Кельвина. Делается это в оптических решетках, создаваемых четырьмя лазерными лучами. И вот Маркус Грайнер из Института квантовой оптики М.Планка и его коллеги из Мюнхенского университета (Германия) решили добавить еще два таких луча, в результате чего получили интерференционную картину с энергетическими пиками, возвышающимися на одинаковых расстояниях друг от друга в трехмерном пространстве.

Атомы в таких оптических ячейках находятся в одинаковых условиях и подобны тем идеальным сферам, о которых говорил Пифагор. При этом энергетические пики располагаются между долинами, отвечающими сверхтекучим состояниям групп атомов, неотделимых друг от друга из-за когерентности их движения.

Когерентность сия есть недвусмысленное экспериментальное проявление принципа неопределенности Гейзенберга: невозможно точно указать положение микрочастицы и ее скорость (импульс). Нельзя также в таком состоянии посчитать количество атомов, соотносящихся с энергетической долиной. Это и есть классический пример ВЕС, или сверхтекучего состояния группы атомов, в чем уже нет ничего особо нового.

Новое лишь в том, что добавлены еще два луча. Шестилучевая лазерная система позволяет за счет увеличения интенсивности (мощности) излучения так повысить энергетические барьеры, что сверхтекучий рубидиевый газ «распадается» на изолированные ячейки и теряет когерентность.

Физики при описании подобных переходов используют классический химический символ обратимости:

ультрахолодная сверхтекучесть изолированные состояния

В изолированных ячейках ученые впервые увидели пики от отдельных атомов, составляющих конденсат (отдельные атомы и ионы наблюдали и ранее, но не в ВЕС). Главный пик окружен четырьмя поменьше.

«Фазовый» переход от сверхтекучести к изолированным состояниям осуществляется за счет углубления соотносящихся с ними энергетических ям (ловушек), из которых разобщенные «замороженные» сверх меры атомы не могут выбраться. Это приводит к резкому ограничению их подвижности. Происходит то же, что и с обыкновенными яйцами, которые легко катаются по гладкой поверхности обеденного стола, но неподвижны в картонных или пластмассовых ячейках в коробке.

Если энергетические ограничения снять, то полное восстановление сверхтекучего ВЕС происходит за какие-то миллисекунды. При этом центральный пик, ширина которого составляет около 80 микрометров, быстро «расплывается», подобно тающей на солнце Снегурочке.

Сверхтекучий ВЕС можно сравнить также с заполнившим низину туманом, который при сильном охлаждении «рассыпается» на разобщенные ледяные кристаллики.

Энергетической ловушкой для атомов служит сигарообразное магнитное поле. В нее с помощью мощных радиоимпульсов испаряется до 200 тысяч атомов рубидия. Оптическая решетка создается из стоячих световых волн, которые, подобно декартовым осям Ох, Оy и Оz, взаимно перпендикулярны. Для этого к ловушке по световодам подводятся лучи лазеров.

Испаренные атомы рубидия находятся в магнитной ловушке, где из интенсивных лазерных лучей создана оптическая решетка с более чем 150 тысячами ячеек. После того как система разобщенных атомов в достаточной степени нагревается, она превращается в ВЕС.

Ситуацию можно сравнить со школьной. В каждой школе есть свой Иванов, которого видят в разных местах почти одновременно. За счет «приложенной учительской энергии» его удается локализовать за партой определенного класса или кабинета. Но проходит урок, звенит звонок, и Иванов вновь переходит в состояние хаоса и сверхподвижности…

* Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства.

Материал подготовил
И.Э.ЛАЛАЯНЦ
(Nature, 2002, № 6867, р. 25, 39)