Carousel for cold molecules

Abstract

Břetislav Friedrich, CSc., (*1953) studoval na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy v Praze.Od roku 1987 působí na Harvardově univerzitě a od roku 2003 též ve Ústavu Fritze Habera Společnosti Maxe Plancka, kde se zabývá zejména srážkami, spektroskopií a záchytem molekul. Kolotoč pro studené molekulyBřetislav Friedrich V díle Johna Fenna, známého zejména jako autora revoluční metody vpravování bio-a jiných makro-molekul do plynné fáze (electrospray), nalezneme následující charakteristiku molekulových paprsků: "Zrozeny z prasklin, prvotního hříchu vakuové technologie, molekulové paprsky jsou kolimované pramínky molekul uhánějící prázdnotou, která je jejich divadlem.Ač setrvávají na jevišti mezi svými vstupy a výstupy po dobu pouhých milisekund, získávají si rozličností svého repertoáru stále početnější obecenstvo."Ona krátká doba setrvání molekul na "jevišti" je důsledkem jejich velké rychlosti (stovky metrů za sekundu) a malých rozměrů vakuové komory (řekněme 1 m).V molekulovém synchrotronu se ale věci mají jinak: ve vakuové komoře o průměru zhruba 1 m zpomalené molekuly urazí na mnohokrát opsané kruhové dráze až jednu míli, čímž se prodlouží délka jejich vystoupení zhruba desettisíckrát, tj.na desítky sekund.První prototyp molekulového synchrotronu byl vyvinut zhruba před deseti lety skupinou Gerarda Meijera v nizozemském Ústavu fyziky plazmatu (FOM "Rijnhuizen").Od té doby molekulový synchrotron doznal mnohých změn a dnes hraje roli jednoho z nejslibnějších přístrojů k záchytu pomalých/studených molekul a k jejich následnému experimentálnímu studiu. Kruhové argumentyZvládání pohybu na kruhové dráze bylo tradičně výsadou cyklotronů, synchrotronů a jiných kolotočů pro nabité částice, jako jsou protony, elektrony či ionty.Nejjednodušší z těchto přístrojů, cyklotron, je založen na opakovaném průletu nabitých částic mezi dvěma elektrodami, na něž je vloženo rozdílné elektrické napětí.Princip urychlování založeného na opakovaném průletu nabitých částic stejným rozdílem napětí pochází od norského fyzika Gustava Isinga, který jej rozpracoval, byť pro lineární uspořádání elektrod, v roce 1924.O čtyři roky později Isingův krajan Rolf Wideroe realizoval prototyp lineárního urychlovače v laboratoři.Přibližně ve stejné době Ernest Lawrence rozpoznal, že nabité částice držené na kruhové oběžné dráze magnetickým polem budou vykazovat stejnou dobu oběhu nezávisle na tom, jaká bude jejich rychlost.Dvojice urychlovacích elektrod tak způsobí opakované urychlení při každém průletu částic mezi elektrodami, přičemž toto urychlení nastane vždy po uběhnutí stejného časového intervalu.Tomu je tak proto, že vzrůst rychlosti částic (v důsledku jejich urychlení) je doprovázen prodloužením jejich oběžné dráhy.Přitom to, že oběžná dráha při zvýšené oběžné rychlosti vzroste právě o tolik, aby doba oběhu zůstala stejná, je zaručeno Newtonovými zákony pohybu.Pohled na kruhové otisky vinných skleniček inspiroval v roce 1929 rozpravu o vlastnostech cyklotronu mezi Lawrencem a Otto Sternem při jejich společné návštěvě jednoho z bostonských "speakeasy" (ilegálních výčepů v době prohibice).Stern tam vyzval Lawrence, aby "se hned pustil do práce"; v roce 1932 pak Lawrence uskutečnil na Kalifornské univerzitě v Berkeley první cyklotronové experimenty.Rok 1932 byl annus mirabilis ("zázračný rok") jaderné fyziky, jehož začátek byl odstartován rozštěpením jader lithia v Cavendishově laboratoři na Cambridgské univerzitě prostřednictvím protonů urychlených na energii 700 kiloelektronvoltů průletem mezi dvojicí elektrod s rozdílem napětí 700 kilovoltů.