D∏ugi, stalowy stó∏ zastawiony laserami, zwierciade∏-
kami, metalowymi cewkami, szklanymi naczyniami
i setkami probówek niemal wype∏nia niewielki po-
kój. Na czarnym tle ekranu komputera w szarej
poÊwiacie majaczy bia∏a plama. Ten rozmyty obraz
to sch∏odzone atomy potasu. Chocia˝ tak niepozor-
ny, przedstawia najwa˝niejszy moment w pracy De-
bory S. Jin, od kiedy zaj´∏a si´ fizykà kwantowà.

Jin, cz∏onek JILA (wspólnej placówki National

Institute of Standards and Technology i University
of Colorado w Boulder), zmusi∏a atomy potasu do

zaskakujàcego zachowania, sch∏adzajàc je do tem-
peratury bliskiej zera bezwzgl´dnego. Okaza∏o si´,
˝e zaobserwowane przez nià dziwne efekty kwan-
towe majà niezbadane konsekwencje w teorii nad-
przewodnictwa i mogà t∏umaczyç powstawanie
bezoporowego pràdu elektrycznego.

Dziedzina badaƒ Jin powsta∏a w 1995 roku, gdy

jej dwóch kolegów wytworzy∏o kondensat Bose-
go–Einsteina. W tym sch∏odzonym do kilkudzie-
si´ciu miliardowych cz´Êci stopnia kelwina gazie
wszystkie atomy znajdujà si´ w jednym stanie kwan-
towym i zaczynajà zachowywaç si´ jak pojedynczy
gigantyczny atom. Technika, którà wtedy wykorzy-
stali naukowcy, nadaje si´ tylko do ch∏odzenia bo-
zonów, jednej z dwóch rodzin czàstek. Bozonami sà
fotony oraz atomy z parzystà liczbà protonów, neu-
tronów i elektronów.

Zmusiç fermiony (drugà rodzin´ czàstek) do ta-

kiego kolektywnego zachowania by∏o ju˝ du˝o trud-
niej. Fermiony sà podstawowym budulcem zwyk∏ej
materii – to pojedyncze elektrony, protony, neutro-
ny oraz atomy sk∏adajàce si´ z nieparzystej liczby
tych czàstek. Sà one, w przeciwieƒstwie do bozo-
nów, indywidualistami, poniewa˝ zasada wyklucza-
nia Pauliego zabrania im przebywania w tym sa-
mym stanie kwantowym. Ale Jin postanowi∏a si´
nimi zajàç.

Przyjecha∏a do JILA na studia podoktoranckie

w laboratorium Erica A. Cornella raptem kilka mie-
si´cy po tym, jak on i Carl E. Wieman wytworzyli
pierwszy kondensat Bosego–Einsteina. Po dwóch la-
tach dosta∏a anga˝ w JILA. By∏o to dla niej bardzo
korzystne równie˝ dlatego, ˝e wczeÊniej zatrud-
niono tam jej m´˝a i wspó∏pracownika Johna L.
Bohna, teoretyka fizyki atomowej. W ciàgu czte-
rech lat Jin uda∏o si´ wytworzyç zdegenerowany
gaz Fermiego – substrakt kondensatu fermiono-
wego. Pierwszy taki kondensat uzyska∏a w grud-
niu ub.r. Bardzo prawdopodobne, ˝e odkrycie
to wska˝e drog´ do osiàgni´cia nadprzewodnictwa
w temperaturze pokojowej [patrz: „Kondensat fer-
mionowy”,

PANORAMA

; Âwiat Nauki, marzec 2004].

„Deborah wnosi do tej dziedziny zdumiewajàcy

zmys∏ postrzegania – mówi Cornell, który w 2001
roku razem z Wiemanem i Wolfgangiem Ketter-
le’em z Massachusetts Institute of Technology
otrzyma∏ Nagrod´ Nobla. – Instynktownie wychwy-
tuje zasadniczy problem i drà˝y go z niezwyk∏à pre-
cyzjà, stawiajàc najwa˝niejsze pytania”.

Królowa zimnych fermionów

Tworzàc kondensat fermionowy, Deborah S. Jin usun´∏a barier´ na drodze do uzyskania
nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej.

MARGUERITE HOLLOWAY

Sylwetka

AND

Y CROSS

Denver P

o

st

DEBORAH S. JIN:

KOBIETA O CH¸ODNYCH D¸ONIACH

n

Atomy potasu 40 sch∏odzi∏a do 50 miliardowych cz´Êci stopnia powy˝ej

zera bezwzgl´dnego i zaobserwowa∏a ich tajemnicze kwantowe zachowanie.

n

W 2003 roku zdoby∏a Grant Geniusza, nagrod´ przyznawanà przez Fundacj´

J. D. i C. T. MacArthurów.

n

„Szczerze mówiàc, najciekawsze badania naukowe robià zespo∏y

podà˝ajàce jej Êladem” – mówi laureat Nagrody Nobla Eric A. Cornell,
który zaryzykowa∏ zatrudnienie Jin w swoim laboratorium w JILA.

22

ÂWIAT NAUKI WRZESIE¡ 2004

Osiàgni´cia Jin zas∏ugujà na szczególnà uwag´, poniewa˝

sukces odnios∏a w dziedzinie fizyki, w której wczeÊniej si´ nie
kszta∏ci∏a. Nie mia∏a wi´c ani umiej´tnoÊci technicznych, ani
wiedzy koniecznej do pracy nad kondensatem Bosego–Ein-
steina. „Musz´ przyznaç, ˝e Eric by∏ naprawd´ odwa˝ny
– wspomina 35-letnia Jin. – Nie pracowa∏am z laserami, nie
stosowa∏am optyki i nie mia∏am poj´cia o fizyce atomowej”.

Jin, córka fizyków, mówi, ˝e nie tyle nasiàk∏a w domu samà

fizykà, ile w∏aÊciwym dla niej sposobem myÊlenia: „Naukow-
ców charakteryzuje szczególne widzenie Êwiata, które wp∏y-
wa na ich dzia∏ania bardziej ni˝ dyskusje o nauce”. Przypo-
mina sobie, jak jej pierwsze doÊwiadczenie naukowe, sekcja
˝aby, sprawi∏o, ˝e zainteresowa∏a si´ biologià. W szkole Êred-
niej wzi´∏a udzia∏ w projekcie z in˝ynierii rolnictwa w Uni-
versity of Florida i inwentaryzowa∏a odkryte studnie. By∏oby
to ciekawe – mówi – gdyby nie przeprowadzano tam jedno-
czeÊnie badaƒ nad krowami. „Dzia∏ania te wyda∏y mi si´ nie-
dorzeczne: badacze polewali krowy wodà, a potem kierujàc
na nie dmuchawy, starali si´ je och∏odziç – Êmieje si´. – Nie
zrobi∏o to na mnie dobrego wra˝enia”.

W roku 1986 Jin rozpocz´∏a studia w Princeton University

i zacz´∏a ucz´szczaç na wyk∏ady z fizyki, choç poczàtkowo
przedmiot ten niezbyt jà ciekawi∏. Zmieni∏a zdanie podczas
wakacyjnego sta˝u w NASA, gdzie pomaga∏a w pracach nad
robotami zbierajàcymi próbki w kosmosie. „Widzia∏am, jak
najpierw naukowcy coÊ projektujà, a potem to naprawd´ po-
wstaje. Wtedy fizyka zacz´∏a mnie pociàgaç”. Prac´ doktorskà
z nadprzewodnictwa napisa∏a pod kierunkiem Thomasa F.
Rosenbauma z University of Chicago. „Jest niezwykle prze-
nikliwa – mówi o Jin Rosenbaum. – JeÊli powiesz coÊ, z czym
nie ca∏kiem si´ zgadza, z uporem docieka, dlaczego tak w∏a-
Ênie uwa˝asz. By∏a jednak na tyle mi∏a, ˝e nie nazwa∏a mnie
idiotà, gdy nie mia∏em racji”. Nawet w swobodnej dyskusji
Jin zastanawia si´ nad ka˝dym pytaniem, jest dok∏adna, kie-
dy podaje jakiÊ przyk∏ad, ∏agodna, ale stanowcza w wyjaÊnia-
niu szczegó∏ów i wyciàganiu wniosków ze swoich badaƒ.

Nied∏ugo po przyjeêdzie do JILA Jin praktycznie przej´∏a kie-

rownictwo nad laboratorium Cornella i zacz´∏a badania, jak
wydajnie wytwarzaç kondensat Bosego–Einsteina, co nie by-
∏o wówczas ∏atwe. Aby schwytaç i sch∏odziç atomy niemal do
zera bezwzgl´dnego, fizycy u˝ywajà pu∏apek – uk∏adu lase-
rów i pól magnetycznych. Cieplejsze atomy usuwane sà z pu-
∏apki i w ten sposób odbiera si´ energi´ pozosta∏ym. Ch∏odze-
nie trwa tak d∏ugo, a˝ utworzy si´ kondensat. Gdy tylko Jin
zapanowa∏a nad kondensatem Bosego–Einsteina, ruszy∏a na
podbój fermionów.

W 1999 roku wraz ze swoim doktorantem Brianem DeMar-

kiem utworzy∏a zdegenerowany gaz Fermiego, czyli zmusi∏a
fermiony do zaj´cia najni˝szych stanów kwantowych, po jed-
nym fermionie na stan. Metoda Jin by∏a odmienna od stoso-
wanej w konkurencyjnych laboratoriach. W innych grupach
badawczych naukowcy pracowali nad litem, którego atomy
silnie si´ przyciàgajà – ta w∏asnoÊç mia∏a u∏atwiç powstanie
kondensatu fermionowego. Aby jednak je ch∏odziç, musie-
li u˝ywaç dwóch izotopów litu, a ka˝dy z nich wymaga∏ osob-
nych uk∏adów laserowych. Jin wymyÊli∏a, ˝e mo˝na u˝yç
atomów jednego typu – fermionowego potasu 40 – lecz w
dwóch ró˝nych stanach spinowych. (Spin ma zwiàzek z zacho-

waniem czàstki w polu magnetycznym). Fermiony mogà si´
zderzaç i wymieniaç energi´ tylko wtedy, gdy majà ró˝ne spiny.
Ta metoda pozwoli∏a Jin usunàç wysokoenergetyczne atomy
z pu∏apki, tak by pozosta∏y w niej tylko najzimniejsze fermio-
ny. „Jako pierwsza pracowa∏a z potasem i okaza∏o si´, ˝e by∏
to doskona∏y pomys∏ – mówi Ketterle. – Zastosowana przez
Debor´ metoda wymaga mniejszej liczby laserów i prostsze-
go uk∏adu”. „Technologicznie jest rzeczywiÊcie znacznie prost-
sza” – przyznaje Jin.

Nast´pnie trzeba by∏o zmusiç fermiony, by silnie si´ przycià-

ga∏y. U˝ywajàc czegoÊ, co okreÊla jako „pot´˝nà magicznà
korb´”, badaczka manipulowa∏a tzw. rezonansami Feshba-
cha w polu magnetycznym tak d∏ugo, a˝ uzyska∏a pe∏nà kon-
trol´ nad oddzia∏ywaniami mi´dzy atomami potasu 40. Spra-

wi∏a, ˝e zacz´∏y si´ silniej bàdê s∏abiej przyciàgaç. „Kiedy
rozpoczyna∏am prac´, tych rezonansów nikt jeszcze nie zna∏”
– opowiada.

Dokonujàc takich cudów, w listopadzie ub.r. Jin i jej obec-

ni wspó∏pracownicy, Markus Greiner i Cindy A. Regal, po∏à-
czyli fermiony w czàsteczki. W ten sposób uzyskali bozony, a
z nich kondensat. (Poniewa˝ fermiony majà spin po∏ówkowy,
a bozony – ca∏kowity, dwa po∏àczone fermiony mogà utwo-
rzyç bozon). Rudolf Grimm z Universität Innsbruck w Austrii
zrobi∏ to samo z atomami litu, publikujàc swoje wyniki tu˝
przed Jin.

Najwi´ksze osiàgni´cie Jin przysz∏o jednak pod koniec ro-

ku. Wykaza∏a, ˝e jej fermiony wcale nie tworzà czàsteczek,
bo nie ma mi´dzy nimi wiàzania chemicznego. Sà silnie od-
dzia∏ujàcymi parami, podobnie jak elektrony w nadprzewod-
niku. Kondensat fermionowy jednak bardzo trudno zobaczyç,
wi´c jej rezultaty poczàtkowo podwa˝ano. Teraz jednak Ket-
terle przyznaje: „Nie ma wàtpliwoÊci, ˝e prace Jin zapoczàt-
kowa∏y bardzo bogatà i ciekawà dziedzin´”.

W badaniach teoretycznych i doÊwiadczeniach Jin fascynu-

je to, co nieznane. „Pracujemy w obszarze, którego dobrze
nie opisuje ani kondensat Bosego–Einsteina, ani teoria nad-
przewodnictwa – mówi. – Przyciàganie si´ fermionów jest do-
statecznie silne”. I dodaje: „Chyba mamy wskazówk´, ˝e osià-
gni´cie nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej jest
mo˝liwe”. Mimo ostrej rywalizacji i cz´stych podró˝y, które od-
dalajà jà od córeczki, Jin ˝yje Êwiatem kwantów: „Ten Êwiat nie
jest intuicyjny. Zdarzajà si´ w nim rzeczy nieprzewidziane”.
I w∏aÊnie to lubi.

n

MARK

US GREINER

WRZESIE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI

23

CORAZ WI¢KSZE EKSTREMA odpowiadajà coraz ÊciÊlej
upakowanym fermionom, które coraz mocniej oddzia∏ujàc ze sobà,
tworzà w koƒcu kondensat fermionowy.