Laserové ochlazování

Zní to podivně. Propálit, zapálit nebo ohřát, věříme, že tohle všechno laser dovede. Ale že by něco ochladil?

Když přiblížíme ruku k žárovce, cítíme sálavé teplo. I ty moderní úsporné žárovky hřejí. Ne tolik, ale i tady je to cítit. Laserové světlo je konec konců také světlo. Třebaže v něm nemusí být tepelné paprsky, stále je to tok energie, který když dopadne na hmotu, tak se v teplo musí zákonitě proměnit. Abychom pochopili, jak laserovým paprskem ochladit, musíme si nejprve vysvětlit několik spolu nesouvisejících jevů. 
Dopplerův efekt

Začneme nebezpečným pokusem, ke kterému budeme potřebovat dálnici. Vylezeme na lávku a počkáme, až bude provoz v obou směrech stejný. Jinými slovy, všichni pojedou stejně rychle a tam i nazpět projede v měřenou dobu stejný počet aut. To je ta správná chvíle pro náš pokus. Sami vsedneme do auta, vyjedeme a opět budeme počítat auta. Asi nikoho neudiví, že v našem směru nás předjede méně aut, než potkáme v protisměru. Kdybychom jeli stejně rychle jako ostatní, nepředjel by nás nikdo, zato v protisměru bychom napočítali dvojnásobný počet aut, než kdyby naše auto stálo.

Nejsme první, kdo si tohoto jevu všiml. Předešel nás Christian Doppler již v první polovině devatenáctého století. Neměl, pravda, k dispozici dálnici, ale vystačil si s počítáním fiakrů při procházce v Pařížské ulici. Frekvence přijíždějících kočárů byla evidentně vyšší, než frekvence těch, které ho na vycházce předjížděly.

Pravidelné rozestupy a neustále přicházející proud fiakrů mu připomněly vlnění. Vždyť je to podobné, tam, kde jede fiakr, si může představit vrcholek vlny, rozestupy mezi nimi odpovídají vlnové délce. Je-li toto přirovnání správné, měl by zaznamenat vyšší frekvenci i u vlnění, pokud se přibližuje k jeho zdroji, nebo pokud se přibližuje zdroj k němu.

Náš svět je plný vlnění. Třeba světlo je vlnění. Christian Doppler se pokusil tímto jevem vysvětlit barvu některých dvojhvězd. Jestliže se k nám jedna složka dvojhvězdy přibližuje, měla by se frekvence jejího světla zvyšovat, tedy její barva by se měla posunout k modré části spektra, a naopak vzdalující se hvězda by měla červenat.

Dnes víme, že toto vysvětlení barvy dvojhvězd není správné, nicméně princip změny frekvence ano. Podle posunu spektrálních čar ve světle hvězdy dokážeme určit, zda se hvězda vzdaluje, či přibližuje, a jak rychle. 
 

Ačkoli Doppler myslel spíše na světlo, dnes máme jeho jméno spojeno s akustikou. Přijíždějící automobil se hlásí hlukem s vyšším tónem, když nás míjí, slyšíme chvilku skutečný zvuk motoru a když se vzdaluje, tón je hlubší. 
Pohlcení a vyzáření světla

Druhý jev důležitý k pochopení laserového ochlazování má kořeny v kvantové mechanice. Netřeba se však děsit, je to ta hodná část kvantové mechaniky, která na nás nenaléhá, abychom připustili skutečnosti evidentně neskutečné.

Princip je jednoduchý. Vezměme si třeba atom vodíku. Víme, že kolem jádra obíhá jeden elektron a přijímáme fakt, že může obíhat jen na některých pevně určených drahách. Můžeme ho postrčit z nižší dráhy na vyšší, když na něj uhodíme fotonem. Přitom je nutné, aby foton měl energii přesně takovou, jaká je třeba na přeskok. Když bude mít energii nižší, proletí pryč, k ničemu nedojde. Ani nemůže, prostě na to nemá, a postrčit elektron na nějakou dráhu mezi zapovídají podmínky kvantové mechaniky.

Co když bude mít energii vyšší? Opět se nic nestane. Foton nedokáže předat jen část své energie a se zbytkem odletět. Platí to i obráceně. Když elektron přeskočí z vyšší hladiny na nižší, vyzáří foton přesně dané energie, tedy foton přesně dané vlnové délky. Podtrženo sečteno. Konkrétní prvek dokáže spolupracovat jen s fotony přesně dané frekvence, ostatní pro něj neexistují a bez povšimnutí jej míjejí.

Zkusme tedy posvítit na atomy laserem. Laser svítí na přesně daných frekvencích, mělo by se tedy něco stát. A také se stane. Atomy pohltí laserem vygenerované fotony. Už jsme si řekli, že se tím zvýší energie jejich elektronů. Ale to není vše. Foton předal nejen energii, ale také hybnost. Jako když malá kulička cvrnkne do větší a ta větší se tím urychlí, i atom se urychlí ve směru letu fotonu.

Výborně, vymysleli jsme nástroj, jak laserem odfouknout atomy pryč. Dobrý počin, ale o to nám nešlo. Mimochodem by to ani nefungovalo takhle jednoduše. Elektron na vyšší hladině dlouho nevydrží, přeskočí zpět, vyzáří foton a ten tu hybnost zase odnese. Protože k vyzáření dojde náhodným směrem, bude i výsledný pohyb atomů náhodný. Takový, jaký odpovídá tepelnému pohybu. Podruhé výborně, podařilo se nám laserem hmotu ohřát. O to nám však nešlo už vůbec. Ještě však neházejme laser do žita, ještě jsme si nevysvětlili poslední pojem. 
Maxwellovo rozdělení rychlostí

Pod tímto učeným souslovím se skrývá jednoduchý princip. Čím vyšší teplota, tím zběsileji atomy kmitají, tím vyšší mají rychlost. Dalo by se i určit, jaká rychlost dané teplotě přísluší, to však evokuje mylný výklad. Není pravda, že všechny atomy se v látce pohybují stejně rychle. Nejvíce je samozřejmě těch, které mají střední rychlost. Ale pak je tam i dost těch, které mají rychlosti menší nebo větší. Maxwellovo rozložení rychlostí nám říká, jak jsou které rychlosti v systému zastoupeny.

Zopakujme nyní pokus a znovu blikněme laserem. Tentokrát však záměrně jeho frekvenci trochu rozladíme. Budeme svítit fotony, které mají trochu nižší frekvenci, než jsou atomy schopny přijmout. Zdá se to jako nesmysl, protože jsme si řekli, že s takovými fotony naše hmota nekamarádí? Ano, ale jen zdánlivě. Zapomněli jsme na Dopplerův efekt.

Atomy, které se budou pohybovat směrem k laseru, budou vnímat jeho frekvenci vyšší. Protože je laser podladěn, bude některým z nich připadat, že tahle dopplerovská frekvence je přesně to, co ony potřebují a nechají se nízkoenergetickými fotony excitovat. Když je laser správně naladěn, atomy, které mají podprůměrnou rychlost, nikdy tu správnou frekvenci nezaregistrují, na to jsou příliš pomalé. Rychlejší atomy foton pohltí a vyzáří náhodným směrem.

A jaký foton vyzáří? Ze svého pohledu ten samý, atomy s jiným pracovat neumí. Ony ovšem netuší, že ten, co pohltily, je jen dopplerovským trikem vytuněná imitace. Z pohledu pozorovatele tedy vyzáří foton s vyšší energií a hybností než ten, který pohltily. To se projeví na jejich rychlosti, která se pak vzájemnými srážkami přerozdělí mezi další atomy, čímž klesne jejich průměrná rychlost, což vnímáme jako pokles teploty.

Až někdy ve volebním období uvidíte na pódiu hesly rozpáleného řečníka, jak po jeho hlavě jezdí temně červená stopa laseru, vyhledejte majitele přístroje a vysvětlete mu, že tímto způsobem toho pána neochladí. Lasery jsou účinné při dochlazování na nanokelvinové hodnoty.

Video: amatérské video s nahrávkou pěkných jednoduchých pokusů prezentujících Dopplerův efekt