Τα συμπυκνώματα Bose Einstein ως εργαλείο της βασικής έρευνας

Πηγή: Nature Physics, Οκτώβριος 2005

Η μελέτη των συμπυκνωμάτων Bose−Einstein (BEC) — δηλαδή η εξωτική μορφή της ύλης που αναδύεται όταν τα άτομα ή τα μόρια ενός πολύ ψυχρού νέφους αερίου ευρίσκονται όλα στην ίδια κβαντική κατάσταση και συμπεριφέρονται σαν ένα αντικείμενο με συμφωνία φάσης - μας δίνει μια μοναδική δυνατότητα να διερευνήσουμε την κυματική συμπεριφορά της ύλης. Αυτό από μόνο του αποτελεί ικανό λόγο για ν' ασχοληθούμε με αυτά, αλλά με μια εργασία τους στο περιοδικό Physics Review A, ο David Harber και οι συνεργάτες του μας προτείνουν ένα ακόμα λόγο. Κάνοντας χρήση της ευαισθησίας των BEC σε μικρές μεταβολές του περιβάλλοντός τους, οι ερευνητές αυτοί κάνουν τις πιο ακριβείς μετρήσεις που έγιναν ποτέ, για το κβαντομηχανικό φαινόμενο εκείνο που ονομάζεται: "φαινόμενο Casimir−Polder."

Από την αρχαία εποχή ακόμα, οι φιλόσοφοι δήλωναν με βεβαιότητα ότι η φύση απεχθάνεται το κενό. Το ίδιο ισχυρίζεται και η κβαντομηχανική. Ακόμα και στα βάθη του διαστήματος, η αρχή της απροσδιοριστίας του Heisenberg, απαιτεί όπως το κενό κατακλύζεται από δυνάμει σωματίδια τα οποία γεννιούνται και καταστρέφονται σε πολύ μικρά χρονικά διαστήματα.

Μια συνέπεια αυτού είναι ότι αν δύο ηλεκτρικά ουδέτερες, αγώγιμες, παράλληλες πλάκες, βρίσκονται πολύ κοντά η μια στην άλλη, τότε τα δυνάμει σωματίδια του κενού θα δημιουργήσουν μια μικρή ελκτική δύναμη μεταξύ τους. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως φαινόμενο Casimir.

Ένα παρόμοιο φαινόμενο, γνωστό ως φαινόμενο Casimir−Polder, προκαλεί μια δύναμη μεταξύ ενός ουδέτερου ατόμου (ή συλλογής ατόμων) τα οποία βρίσκονται κοντά σε μια αγώγιμη επιφάνεια. Αν και τα δύο φαινόμενα θεμελιώθηκαν θεωρητικά το 1948, κανένα από τα δύο δεν είχε αποδειχτεί πειραματικά μέχρι τη δεκαετία του 1990, επειδή η μέτρηση των πολύ ασθενικών δυνάμεων εμφανίζει σημαντική πειραματική δυσκολία.

Η περιορισμένη ευαισθησία των πειραμάτων που σχεδιάστηκαν για να διαπιστώσουν είτε το φαινόμενο Casimir είτε το Casimir−Polder, σήμαινε ότι θα μπορούσαν να μετρηθούν μόνο σε πολύ κοντινές αποστάσεις. Για το φαινόμενο Casimir−Polder μάλιστα, δεν έχει γίνει εφικτό να μελετήσουμε τις αναμενόμενες μεταβολές σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Η πρόοδος στα BEC θα μπορούσε να παρακάμψει αυτή τη δυσκολία.

Τα BEC μπορούν να υπάρξουν μόνο σε θερμοκρασία κλάσματος του ενός βαθμού κοντά στο απόλυτο μηδέν, ενώ οι ιδιότητές τους και η συμπεριφορά τους είναι ευαίσθητες στις μεταβολές του περιβάλλοντός τους. Η ευαισθησία αυτή τα κάνει ιδανικά για εκτέλεση μετρήσεων πολύ μεγάλης ακρίβειας - από την ανίχνευση των μεταβολών στο γήινο βαρυτικό πεδίο που προκαλούνται από τις μεταβολές της πυκνότητας στον φλοιό του πλανήτη μας, μέχρι την παρακολούθηση της μετατόπισης ενός αεροπλάνου που είναι εφοδιασμένο με ένα γυροσκόπιο βασισμένο στα BEC.

Ο Harber και η ομάδα του, χρησιμοποιούν αυτή την ευαισθησία για να μετρήσουν τις δυνάμεις που ασκούνται σ' ένα BEC ρουβιδίου το οποίο βρίσκεται κοντά σε μια τηγμένη πλάκα πυριτίου, περιορισμένο από ένα μαγνητικό πεδίο. Θέτοντας το BEC σε ταλάντωση και μετρώντας τη συχνότητα αυτών των ταλαντώσεων, μπορούμε να υπολογίσουμε τις δυνάμεις που δρουν στο BEC, και έτσι να υπολογίσουμε και τη συμβολή της δύναμης που προέρχεται από την πλάκα πυριτίου.

Η προσέγγιση των ερευνητών αυτών έκανε δυνατή τη μέτρηση της δύναμης Casimir−Polder με μια άνευ προηγουμένου ακρίβεια, σε αποστάσεις 5−10 μm, που είναι πολλές φορές μεγαλύτερες από τις προηγούμενες μετρήσεις. Συγχρόνως μπόρεσαν να θέσουν αυστηρότερα όρια για την ερμηνεία του φαινομένου με άλλου τύπου δυνάμεις, οι οποίες δεν είναι Νευτώνειες και έχουν προταθεί από κάποιους ερευνητές.

Τέτοιες δυνάμεις λέγονται τύπου Yukawa. Στο μέλλον, οι συγγραφείς του άρθρου ελπίζουν ότι θα χρησιμοποιηθεί η προσέγγισή τους για να μελετηθούν οι θερμικές αποκλίσεις από το φαινόμενο Casimir−Polder. Δηλαδή αποκλίσεις που συμβαίνουν σε παρόμοιες αποστάσεις αλλά σε υψηλότερες θερμοκρασίες των επιφανειών, απ' ότι στην παρούσα εργασία.