Chlazení molekul na extrémně nízké teploty patří k největším výzvám současné fyziky, a zatímco u atomů se vědcům daří využívat lasery, u složitějších molekul není tento postup jednoduše aplikovatelný. Průlom v této oblasti se podařil díky teorii docentky Lucie Augustovičové, kterou experimentálně po mnoha letech výzkumu potvrdili američtí vědci z Harvardské univerzity. Zajímalo nás, jakým zajímavým problémům, které ještě nikdo neřešil, se nyní věnuje.
Jak se podařilo americkým vědcům potvrdit vaši původní předpověď o možnosti chlazení molekul?
Před několika lety jsem zkoumala srážky mezi různými molekulami a objevila jsem, že pro určitou kombinaci elektrického a magnetického pole začnou pružné srážky, které mohou být využité k chlazení molekul, výrazně převažovat nad srážkami nepružnými, které vedou k ohřevu a ztrátám molekul z pasti. To zaujalo skupinu profesora Johna M. Doyla z Harvardské univerzity, kteří se začali snažit moje předpovědi experimentálně zrealizovat. Rozhodně to pro ně nebylo vůbec jednoduché a po mnoha letech se jim nakonec podařilo změřit, jak rychle probíhají u chladných molekul CaOH pružné a nepružné srážky ve vynikající shodě s mými předpověďmi.
Co přinese publikovaný objev pro oblast kvantových technologií?
Ultrachladné molekuly jsou díky své složité struktuře mocnými nástroji pro kvantovou vědu. Umožňují totiž vytvářet nová a robustní schémata pro kvantové simulace a kvantové zpracování informace. Nedávno se například podařilo připravit kvantový bit (qubit) z CaOH molekul. Moje výpočty ukazují cestu, jak takové molekuly vychladit na velmi nízké teploty a otevřít tak cestu pro úplně novou třídu experimentů, například přípravu kvantově degenerovaného molekulárního plynu.
Jaké pocity jste měla, když jste se dozvěděla, že vaše teoretická předpověď byla experimentálně ověřena?
Samozřejmě pocit štěstí a zadostiučinění z dobře odvedené práce.
Zapojovala jste se do průběhu experimentů?
Byla jsem ve velmi úzkém kontaktu s experimentátory a v určitou chvíli jsme spolu komunikovali prakticky každý den. To bylo klíčové pro přípravu ideálních experimentálních podmínek a také pro interpretaci naměřených dat. Podařilo se nám tak najít a vyřešit řadu problémů, kterým tento velice složitý experiment čelil.
Které momenty společné práce byly nejnáročnější?
Měla jsem tu čest spolupracovat s velmi nadanými a pracovitými kolegy na výjimečném experimentu. Jejich zaujetí pro fyziku bylo doslova nakažlivé. Zároveň s tím vědkyně-matka vždy pracuje na dvě směny, což přidává další úroveň náročnosti.
Je vybavení harvardské laboratoře unikátní a finančně nákladné?
Záleží na úhlu pohledu. V porovnání s velkými experimenty v CERNu by se dalo říct, že jde o drobné. Pro běžnou laboratoř jsou však tyto unikátní experimenty hodně drahé a ve světě je jen velmi málo skupin, které je mohou provést.
V čem spočívá mimořádná obtížnost chlazení molekul oproti atomům a jaké technické překážky jste museli překonat?
Většina postupů pro chlazení částic na nízké teploty zahrnuje použití laserů, pomocí kterých se „kope“ do atomů nebo molekul, aby se zpomalily. U molekul to ale často vede k tomu, že se rozvibrují a přestanou reagovat na chladící laser. Experiment s tím musí počítat a často se aplikují další lasery, které „přesypávají“ molekuly ze špatných vibračních stavů zpět.
Dalším problémem je složitější struktura molekul oproti atomům, takže vzájemné srážky molekul je mohou dostat do jiného kvantového stavu, než který je možné chladit. To jsou právě ty nepružné srážky, u nichž jsem zkoumala, jak je v experimentu omezit.
Kde čerpáte inspiraci pro nové nápady a teoretické postupy?
Často je to kombinace studia detailů dané problematiky, vytrvalosti a důslednosti. Hledáte možné rozpory, ptáte se a pochybujete. Když jsem pracovala v USA, tak převládal názor, že chladit molekuly odpařováním je prakticky nemožné. Chtěla jsem najít cestu, jak problémy s tím spojené vyřešit. Vyzkoušela jsem řadu molekul a hledala určité spojitosti a zákonitosti pro jejich srážky, až se to nakonec povedlo pro určitý typ molekul.
Jak se bude dále rozvíjet váš projekt?
Vývoj v oboru ultrachladných částic probíhá neuvěřitelně rychle. Neustále se objevují nové technologie a postupy. Experimentátoři se budou snažit námi získané poznatky posunout více k aplikacím (například výše zmíněné využití CaOH pro qubity), ale zároveň je stále prostor jít s teplotou ještě níže a vytvořit kvantově degenerovaný molekulární plyn. Naše výpočty a experiment ukazují cestu, že je to možné. Bohužel množství molekul v pasti na to bylo zatím příliš malé, takže tady je hodně prostoru pro zlepšení. A budu se snažit v tom být experimentátorům co nejvíce nápomocná.
Co vás přivedlo ke studiu fyziky?
Vždy jsem byla zvědavá, jak svět funguje, a technické problémy mě neodrazovaly. Fyzika má v sobě hodně z filozofie v původním smyslu „lásky k moudrosti“ a je neuvěřitelně vzrušující poodhalovat tajemství světa, který je pro nás skryt. Matematika je jazyk, pomocí něhož je možné ho popisovat a chápat. Vzájemně se tak doplňují. Je pravda, že často čelíte neúspěchům, postup, který zvolíte, třeba není vhodný, ale o to povzbudivější jsou případné úspěchy.
Související: