V predchádzajúcich článkoch tohto miniseriálu sme spomenuli, kto je náš najbližší vesmírny sused a že vďaka súhre gravitácie a odstredivej sily existujú medzi planétami akési parkovacie miesta – Lagrangeove body.
Tieto neviditeľné gravitačné pasce však nie sú výsadou obrovských telies. Rovnaký princíp, aký používa Jupiter na uväznenie svojich asteroidov, využíva príroda aj v srdci samotnej hmoty.
Atóm ako malá slnečná sústava?
Keď Niels Bohr pred viac ako storočím predstavil svoj model atómu, prirovnal ho k miniatúrnej slnečnej sústave, kde elektróny obiehajú okolo jadra ako planéty okolo Slnka. Neskôr sme zistili, že realita je omnoho komplikovanejšia – elektróny nie sú malé guľôčky, ale skôr rozmazané kvantové oblaky elektrónovosti. Existuje však stav, kedy sa tieto dva svety, makroskopický a mikroskopický, stretnú v prekvapivom súlade.
Hovoríme o Rydbergových atómoch. Sú to atómy, v ktorých bol jeden elektrón vybudený do takého vysokého energetického stavu, že obieha jadro v obrovskej vzdialenosti. V porovnaní s bežnými atómami sú tieto stavy gigantické a môžu byť až tisíckrát väčšie. Vzdialený elektrón sa začína správať takmer ako klasická častica a práve tu začína spojenie s Lagrangeovými bodmi.
Ako vyrobiť atómové Lagrangeove body
Lagrangeove body vznikajú v sústave dvoch telies (napr. Slnko a planéta), ktoré okolo seba rotujú. Aby sme niečo podobné vytvorili vnútri atómu, potrebujeme elektrónu pripraviť podobné prostredie. Využíva sa na to kombinácia dvoch síl: elektrickej sily jadra (analógia s gravitáciou Slnka) a vonkajšieho mikrovlnného poľa, ktoré rotuje so zladenou frekvenciou. Ak sa na tento systém pozrieme z rotujúcej sústavy (teda akoby sme sa točili spolu s tým poľom), stane sa niečo fascinujúce.
Matematický opis potenciálnej energie elektrónu začne vyzerať takmer identicky ako gravitačné pole sústavy Slnko – Jupiter a vnútri atómu sa zrazu objavia tie isté Lagrangeove body, ktoré poznáme z vesmíru.
Trójan uväznený v mikrosvete
Najzaujímavejšie sú opäť body L4 a L5. Pripomeňme si, že to sú tie, ktoré neležia na spojnici Slnka a planéty, ale nachádzajú sa na obežnej dráhe posunuté pred planétu a za ňu. Vo vesmíre v nich Jupiter drží svoje skupiny asteroidov, známe ako Trójania. V atómovom svete sa podarilo niečo podobné vo forme trójskeho vlnového balíka. Ide o stav, keď sa elektrón v podobe lokalizovaného mraku pravdepodobnosti výskytu zaparkuje v Lagrangeovom bode.
Namiesto toho, aby sa rozplynul po celom obale atómu, zostáva uväznený v tejto stabilnej pasci. Trójsky elektrón tak obieha okolo jadra atómu podobne ako asteroidy okolo Slnka. Jeho pohyb však neurčuje obiehanie planéty, ale rotovanie vonkajšieho elektromagnetického poľa.
Prečo na tom záleží?
Aj keď je existencia trójskych elektrónov fascinujúca sama osebe, pochopenie ich stability a schopnosť vytvoriť ich nám otvára dvere k novým technológiám. Rydbergove atómy sú dnes kľúčovými kandidátmi na stavbu kvantových počítačov a extrémne citlivých senzorov elektrických polí. V bežnom kvantovom počítači sú qubity veľmi náchylné na šum. Stačí drobná zmena teploty alebo magnetického poľa a informácia sa stratí.
Tu prichádzajú na scénu atómové Lagrangeove body. Trójsky vlnový balík sa na rozdiel od bežných kvantových stavov v čase nerozteká. Drží si svoj tvar a polohu, takmer ako klasická častica. Takto zaparkovaný elektrón je tiež oveľa odolnejší proti vonkajšiemu šumu. To znamená, že kvantová informácia, ktorú nesie, by mohla prežiť dlhšie.
Navyše nám to pripomína hlbokú krásu nášho sveta. Či už ide o Jupiter obiehajúci okolo Slnka, alebo o elektrón kmitajúci vnútri excitovaného atómu, v pozadí stoja tie isté princípy. Rovnice stability, ktoré popísal Joseph-Louis Lagrange v 18. storočí, tak platia rovnako pre milióny kilometrov prázdnoty ako pre zlomky nanometrov vnútri hmoty.
Autor článku: Juraj Tekel
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Viac podobných článkov nájdete na vedator.space. Vedátora môžete sledovať aj prostredníctvom bezplatnej mobilnej aplikácie.
Viac takýchto článkov a exkluzívneho obsahu môžete získať vďaka predplatnému.
Máte predplatné?
Prihlásiť sa