Pojam lasera (*) kao posebnog izvora svjetlosti velike snage i prostorne usmjerenosti danas je poznat velikom broju ljudi kroz njegovu primjenu u svakodnevnom životu. Posebnost lasera sadržana je u koherenciji svjetlosti (fotona) koju zrači, što znači da svi valovi titraju vremenski i prostorno u istoj fazi.

Atom (*), najmanji djelić na koji se materija može razdijeliti bez razdvajanja na nabijene čestice, pokazuje u određenim uvjetima valna svojstva, kao i svjetlost. Tek u zadnjih nekoliko godina znanstvenici uspijevaju iskoristiti valnu prirodu atoma u praktične svrhe.

Da je moguće konstruirati uređaj koji će analogno laseru, emitirati koherentni snop atoma pokazala je grupa istraživača dr. Wolfganga Ketterlea sa Massachusetts Institute of Technology (MIT), SAD, 1997. godine. Optički laser zahtjeva optički rezonator, aktivni medij i izlazno zrcalo. U atomskom laseru MIT grupe "rezonator" je magnetska stupica u kojoj su atomi zarobljeni pomoću "magnetskih zrcala". Aktivni medij je oblak izuzetno hladnih atoma, a ulogu izlaznog zrcala igra imaju pulsevi radio frekventnog zračenja kojima se upravlja "refleksivnošću" magnetskih zrcala.

Osnovu za njihov uređaj dalo je postignuće Bose-Einsteinove kondenzacije dvije godine ranije. Tada su istraživači sa Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA), Boulder, SAD, predvođeni Erickom Cornellom i Carlom Wiemannom uspjeli u atomskoj stupici (* ) ohladiti razrijeđeni plin (paru) atoma rubidija do te mjere (manje od miljuntinke stupnja iznad apsolutne nule) da su atomi izgubili svoj identitet (Science, 269, 198 (1995)). Stvoreno je posebno stanje materije u kojem velik broj čestica ima jednu te istu makroskopsku kvantnu valnu funkciju. Time je eksperimentalno potvrđeno predviđanje Satyendra Natha Bosea i Alberta Einsteina još iz dvadesetih godina 20. stoljeća.

Prvi korak ka atomskom laseru učinila je grupa dr. Ketterlea (Phys. Rev. Lett. 78, 582 1997), kada su uspjeli primjenom radio valova na kondenzat natrijevih atoma u magnetskoj stupici izbacivati pulseve kondenzata u formi snopa, analogno izlaženju svjetlosti (fotona) kroz jedno od zrcala laserskog rezonatora. U sljedećem koraku pokazali su da su kondenzati koherentni. U tu svrhu stvorili su dva kondenzata "režući" početni kondenzat laserom i pustili ih da se nakon pada kroz vakuum ponovo prekriju i interferiraju, pokazavši pritom atomsku verziju tamnih i svijetlih pruga u interferentnom uzorku. To znači da, kao fotoni u laseru, svi atomski valovi u kondenzatu putuju u istoj fazi (brijeg do brijega, dol do dola) (Science, 31. Siječanj 1997).

Nakon prve objave rezultata ostalo je nejasno dolazi li u atomskom laseru do takvog procesa kao što je stimulirana emisija kod konvencionalnog lasera, koja dovodi do stvaranja jakog koherentnog snopa. To je nagnalo mnoge skeptike da tvrde kako termin atomski laser uopće nije prikladan, s obzirom na druge velike razlike između fotona i atoma.

No nedavno (Science, 13. veljače 1998), ista Ketterleova grupa načinila je nov prodor pokazavši da je proces kojim se formira Bose-Einsteinov kondenzat analogan procesu stimulirane emisije, na način da atomi koji se već nalaze u kondenzatu privlače dodatne atome iz okoline stupice. Nazvali su taj proces bozonskom stimulacijom odnosno koherentnim pojačanjem valova materije i prisilili skeptike da priznaju kako naziv atomski laser ima svoje puno opravdanje.

Još je rano za potpunije sagledavanje posljedica ovog velikog otkrića, no već sada se može s pravom očekivati procvat atomske optike(*), ogranka atomske i molekularne fizike u kojem se atomima manipulira kao što se u klasičnoj optici manipulira svjetlošću, posebno u razvoju atomske interferometrije (*). Ne manje važno jest očekivanje unapređenja primarnih standarda vremena - atomskih satova (*) i preciznosti mjerenja osnovnih fizikalnih konstanti. Značajne su i moguće primjene u nanotehnologiji, npr. atomskoj litografiji (proizvodnji elektroničkih sklopova pomoću atomskih snopova).

 

Detaljniji opis atomskog lasera od Wolfganga Ketterlea,
Prototip atomskog lasera
MIT grupa
Bose-Einsteinova kondenzacija - JILA

Pripremio: Dr. Slobodan Milošević , Institut za fiziku, Zagreb, travanj 1998.