Atomoptika:
Ha atom és fény helyet cserél

Nem a fény szóródik anyagkristályokon, hanem az atomok szóródnak fénykristályokon. Ez a költőien hangzó esemény abban a furcsa, “megfordított” világban történik, amelyben – a mindennapi tapasztalattól eltérően – az atomok és a fény szerepet cserélnek. Az Innsbrucki Egyetem professzora, Anton Zeilinger és munkatársai, akik az első sikeres kvantumteleportálási kísérlettel tettek szert világhírnévre, (lásd lapunk tavalyi 6. és 7. számát – A szerk.), évek óta végeznek hasonló kísérleteket. Legutóbb a kristályszerkezetek meghatározásában használatos Bragg-féle elhajlás "ikerfolyamatát" vizsgálták fényállóhullámok rácsára beeső atomokon.
Fény és anyag szerepcseréjét a kvantumfizika törvényei teszik lehetővé. Ezek szerint a fény kvantumai (a fotonok) esetenként részecskeként, míg a kvantumrészecskék (elektron, proton, atomok, stb.) bizonyos körülmények között hullámokként viselkednek. Az előbbire példa a fényelektromos-hatás, az utóbbira az elektronok elhajlása kristályrácson. Atomok esetében azonban a hullámtulajdonságok csak az abszolút nulla fok (0 kelvin) közelében – amikor az atomok mozgása már elegendően lomha – kerülnek előtérbe, és csupán az utóbbi évtizedben alakultak ki azok az eljárások, amelyekkel az atomok ennyire lehűthetők. (Lásd a fizikai Nobel-díjról szóló cikkünket, lapunk 1997. évi 49. számában. – A szerk.) Az atomoptika, amely az atomnyalábokat a fényhez hasonlóan kezeli, a fizika egy izgalmas új és gyorsan fejlődő ága, amelyet olyan nagyszerű eredmények fémjeleznek mint például a Bose–Einstein-kondenzátum, vagy az első atomlézerek előállítása.

Atomok fénykristályon való szóródásakor kialakuló interferenciaképek
(részletes magyarázat a szövegben)

Az eredeti Bragg-féle elhajlási (diffrakciós) kísérletekben röntgensugarak esnek egy kristályra. A rácsot alkotó atomok a sugárzást minden irányba szórják, a szórt sugarak újratalálkozásukkor fázisuktól függően erősítik vagy gyengítik egymást, így interferenciakép alakul ki. A Bragg-törvény szerint az erősítés a rácssíkokról való tükörvisszaverődés irányánál a legnagyobb: az ehhez tartozó úgynevezett Bragg-szög () a sugárzás hullámhosszától és a kristály rácsállandójától függ.
Az osztrák kutatók a fénykristály létrehozására lézerfényt irányítottak egy aranytükörre: a beeső és a tükörről visszavert hullámok interferenciájából állóhullámok alakultak ki, amelyekben a terjedés irányára merőleges sötétebb és világosabb hullámsíkok az anyagkristályok atomsíkjaihoz hasonló periodikus rácsot alkotnak. Ezen vizsgálták a kutatók a lézersugár irányára merőlegesen beeső argonatomok szóródását.
Az anyagkristályokban a beeső röntgensugarak azonban többnyire nemcsak szóródnak, hanem egy részüket a kristály atomjai el is nyelik. A fénykristályon szóródó atomok esetében a kutatók ezt a hatást nagyon szellemesen modellezték. Mivel a fény fotonjai természetesen nem nyelhetnek el argonatomokat, egy további, megfelelő frekvenciára hangolt lézerrel az argonatomok egy részét gerjesztett állapotba emelték. A szóródó atomok észlelésére pedig olyan detektort készítettek, amely csak az alapállapotú atomokat mutatja ki, a gerjesztett atomok láthatatlanok számára, ezért úgy tűnik, mintha a fénykristály elnyelte volna őket. (Ugyanezzel a módszerrel egyébként olyan szűrőmaszkok” is készíthetők, amelyekkel az atomok nagyon monokromatikus és térben is jól kollimált nyalábjai állítható elő, amelyek a továbbiakban atomlitográfiában vagy atomoptikai alapkísérletekben egyaránt jól alkalmazhatók.) Az atomok fénykristályon való szóródásával olyan jelenségek is vizsgálhatók, amelyek a hagyományos fény–kristály elhajlási kísérletekben nem. Ez annak köszönhető, hogy míg az anyagkristályoknál be kell érnünk azzal, amit a természet kínál, addig a lézer(ek) frekvenciájának változtatásával kívánság szerinti, “testreszabott” fénykristályok állíthatók elő. Ezt kihasználva a kutatók olyan kristályt hoztak létre, amely teljes mértékben sérti az úgynevezett Friedel-féle törvényt, és nincs megfelelője az anyagkristályok körében. E tapasztalati úton felállított törvény (1913) szerint a kristályról szórt röntgensugarak interferenciája a Bragg-szög pozitív és negatív értékéinél ugyanakkora maximális erősítést okoz. Ez a szabály azonban csupán a sugárzást tisztán csak törő kristályokra igaz, a sugárzást részben el is nyelőkben viszont többé-kevésbé sérül, náluk a pozitív és a negatív Bragg-szögnél némileg eltérő intenzitás jön létre. Zeilinger és munkatársai az atomsugarat “törő” és “elnyelő” összetevők kombinációjával olyan fénykristályt állítottak elő, amelyben az egyik irányban teljes kioltás jött létre – valódi kristályokban ez a véglet sohasem valósul meg. Az eredmény a mellékelt képsorozaton látható: a valamennyi kép közepén végighúzódó széles vörös csík az elhajlás nélkül áthaladó atomoknak felel meg, míg a fényes “szigetek” az elhajlási kép legnagyobb intenzitású helyeit jelzik. Középen a szimmetrikus, tőle balra és jobbra a két teljesen aszimmetrikus eset látható, amikor a Bragg-szög pozitív illetőleg negatív értékénél teljes kioltás jön létre.

1999/42