Douglas Osheroff se narodil v Aberdeenu ve státě Washington 1. srpna 1945. Studium kvantové mechaniky neplánoval od dětství. Měl prostě rád fyziku. Tato zvědavost ho nakonec zavedla do srdce vědy o nízkých teplotách. Zajistilo mu to také místo mezi nejslavnějšími fyziky své generace.
V roce 1996 se Osheroff podělil o Nobelovu cenu za fyziku. Nezískal to sám. O tuto čest se podělil s Davidem Leem a Robertem Richardsonem. Trio dostalo cenu za jeden úžasný objev. Objevili supratekutost v heliu-3.
Většina lidí si myslí, že helium je plyn, díky kterému se balónky vznášejí. Je to světlo. Je inertní. Je nudný. Ale helium-3 je jiná věc. Jedná se o vzácný izotop. Chová se způsobem, který se vymyká zdravému rozumu. Při ochlazení na teploty blízké absolutní nule se přestane chovat jako běžná kapalina. Stává se supratekutým.
Záhada supratekutosti
Supratekutost není jen plynulý tok. Je to proudění bez jakéhokoli odporu. Představte si, že naléváte med. Je viskózní. Vytváří tření. Nyní si představte, že lijete vodu potrubím tak dokonale, že se nikdy nezpomalí. To je to, co je supratekutost.
Osheroff, Lee a Richardson to nejen pozorovali. Dokázali, že se to děje v heliu-3. To byl obrovský úspěch. Helium-4 bylo již známé jako supratekutina. Ale helium-3? Nikdo nečekal, že se bude takto chovat. Toto je fermion. Fermiony obvykle netvoří páry. Nezhušťují se. Nestanou se supratekutými. Alespoň to tvrdila teorie.
Tým ukázal, že teorie byla nesprávná nebo neúplná. Dokázali, že atomy helia-3 mohou tvořit páry. Chovali se jako Cooperovy páry. Tyto stejné páry se nacházejí v supravodičech. Ale vidět je v kapalině? Tohle bylo nové. Bylo to inovativní.
Proč na tom záleží mimo laboratoř
Možná se divíte, proč by se vůbec někdo zajímal o kapalinu helium-3. Odpověď je jednoduchá. Jde o pochopení hmoty. Kvantová mechanika není jen abstraktní matematika. Popisuje, jak vesmír funguje na nejmenších měřítcích.
Supratekutost v heliu-3 otevřela dveře do dalších oborů. Pomohla fyzikům pochopit vysokoteplotní supravodiče. Poskytla informace o neutronových hvězdách. Tyto husté zbytky hvězd mohou obsahovat supratekutou hmotu. Pokud to dokážeme simulovat v laboratoři, můžeme to simulovat ve vesmíru.
Osheroffova práce také připravila cestu pro pokročilejší kvantové senzory. Tato zařízení detekují drobné změny gravitace nebo magnetických polí. Používají se ve všem, od průzkumu minerálů až po navigaci. Principy za nimi začaly u plechovky helia-3 ochlazené na zlomek stupně nad absolutní nulou.
Lidská stránka objevování
Osheroff nebyl osamělý génius. Pracoval v týmech. Klíčová byla spolupráce. Lee a Richardson byli více než jen spoluvítězové. Byly nedílnou součástí skládačky. Nobelova cena často vyzdvihuje jednotlivce, ale věda je zřídka sólovým výkonem.
Otevření trvalo roky. Chtělo to trpělivost. Vyžadovalo to selhání. Vyžadovalo chlazení látek na teploty nižší než ve vesmíru. Ale odměna stála za to. Nový stav hmoty. Nový způsob uvažování o tom, jak částice interagují.
Helium-3 průlom na Cornell University
Cesta Davida Osheroffa k velkému objevu ve fyzice začala ve třídě a skončila v kryogenní laboratoři. Bakalářský titul získal na Kalifornském technologickém institutu (Caltech) v roce 1967. Poté se přestěhoval do Ithace ve státě New York, aby zde získal doktorát na Cornellově univerzitě. Bylo to tam, v roce 1972, kdy pracoval s Leem a Richardsonem v jejich nízkoteplotní laboratoři.
Studovali helium-3. Podmínky byly extrémní. Vzorek byl jen několik tisícin stupně nad absolutní nulou, tedy −273 °C. Tým hledal jemné změny v chování tekutiny.
Osheroff si všiml něčeho, co ostatním možná uniklo: mikroskopických nárůstů vnitřního tlaku. Drobné odchylky. Ukázal na ně.
Tým prohloubil výzkum. Uvědomili si, že helium-3 mění svůj stav. Stalo se supratekutým. Není to jen studená tekutina. Jedná se o fázový přechod, při kterém atomy ztrácejí svou náhodnost. Pohybují se ve shodě, v unisonu.
“Taková látka je bez vnitřního tření, proudí bez odporu a řídí se zákony kvantové mechaniky.”
Na tom záleží. Klasická hydrodynamika nedokázala tento jev vysvětlit. Kvantová mechanika by mohla. Vědci byli poprvé schopni pozorovat kvantové efekty v makroskopickém systému. Viditelné pouhým okem. Dříve byly takové účinky skryté v molekulách nebo subatomárních částicích a bylo možné je odvodit pouze nepřímo. Nyní je bylo možné pozorovat ve větším měřítku.
Od Cornella do Bellových laboratoří
Objev nezůstal jen ve zdech univerzity. V roce 1972 se Osheroff přestěhoval do Bell Telephone Laboratories. Pracoval tam deset let. V roce 1982 vedl oddělení výzkumu pevných látek a nízkých teplot. Tímto směrem se ubíral až do roku 1987.
Po Bell Labs přijal místo učitele na Stanfordské univerzitě. Práce pokračovaly. Pochopení kvantových systémů v hromadné hmotě se prohloubilo. A důsledky pro technologii a teorii stále rostly.
