Πριν τρία χρόνια το βραβείο Νόμπελ στη Φυσική απονεμήθηκε στους Κλοντ-Κοέν Τανούτζι, Γουίλιαμ Φίλιπς και Στίβεν Τσου, για το ερευνητικό τους έργο στην επίτευξη της «ψύξης» και της «παγίδευσης» της κίνησης των ατόμων. Τόσο η αρχαία ατομιστική φιλοσοφία του Λεύκιππου και του Δημόκριτου όσο και η ανάπτυξη της στατιστικής φυσικής το 19ο αιώνα μάς κληροδότησαν για τα άτομα την εικόνα «ατίθασων» σωματιδίων που κινούνται ταχύτατα, ακόμη και σε συνηθισμένες θερμοκρασίες, σε τυχαίες διευθύνσεις στο χώρο. Τα τελευταία χρόνια έγινε δυνατό αυτή η άτακτη κίνηση να δαμαστεί, αφού αρχικά επιτεύχθηκε η δραστική μείωση της μέσης ατομικής ταχύτητας («ψύξη») και στη συνέχεια ο περιορισμός της κίνησης του ατόμου σε συγκεκριμένη περιοχή του χώρου («παγίδευση»). Από τη στιγμή αυτή άνοιξε ένας νέος δρόμος θεωρητικών, πειραματικών και τεχνολογικών εφαρμογών στο μικρόκοσμο των ατόμων. Τα παραπάνω επιτεύγματα έγιναν δυνατά μέσω της πίεσης που ασκεί το φως μιας συσκευής λέιζερ στα άτομα, ενώ ακόμη πιο θεαματικό είναι ότι έχουμε περάσει σε εφαρμογές, στις οποίες πλέον συμμετέχει ένα ή ελάχιστα έστω άτομα!

Αν θέλαμε να επιχειρήσουμε μια σύντομη αναδρομή στην εξέλιξη αυτού του ερευνητικού πεδίου θα ακολουθούσαμε τον Ρώσο φυσικό Β. Λετόκχοφ, ο οποίος χωρίζει την ιστορία του συγκεκριμένου πεδίου σε δύο περιόδους, την «κλασική» και τη «σύγχρονη», χρησιμοποιώντας ως κριτήριο αυτού του διαχωρισμού την εμφάνιση του λέιζερ. Την «κλασική» εποχή χαρακτηρίζει το έργο δύο μεγάλων φυσικών: Του Ρώσου Π. Λέμπεντεφ και του Α. Αϊνστάιν. O Π. Λέμπεντεφ ήταν εκείνος ο οποίος πρώτος απέδειξε πειραματικά, το 1901, τη δυνατότητα του φωτός να εξασκεί πίεση στα σώματα στα οποία προσπίπτει και εφάρμοσε τα πορίσματά του στη φυσική των αερίων και στην αστροφυσική. Ο Α. Αϊνστάιν, με τον οποίο σημειώνεται η επόμενη και πιο καθοριστική συνεισφορά στο ζήτημα της κατανόησης της πίεσης του φωτός, πρότεινε το μηχανισμό με τον οποίο το φως αλληλεπιδρά με ένα άτομο και ανταλλάσσει με αυτό ενέργεια. Στη διατύπωση αυτής της πρότασης έκανε χρήση της υπόθεσης για την κβαντική φύση του φωτός, με την οποία είχε ερμηνεύσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (γι' αυτή την ερμηνεία είχε τιμηθεί με το βραβείο Νόμπελ).

Σύμφωνα με την πρόταση του μεγάλου φυσικού, η αλληλεπίδραση αυτή γίνεται με τρεις τρόπους: Την απορρόφηση φωτονίου από άτομο, την εκπομπή φωτονίου από το άτομο λόγω διέγερσης από το φως (διεγερμένη εκπομπή) και, τέλος, την εκπομπή ενός φωτονίου αυθόρμητα από το άτομο (αυθόρμητη εκπομπή). Κάθε τέτοια διαδικασία συνοδεύεται από μετακίνηση ενός ηλεκτρονίου του ατόμου από μια στοιβάδα σε μια άλλη. Οι τρεις αυτοί μηχανισμοί είναι υπεύθυνοι για την ανταλλαγή ενέργειας και ορμής με το άτομο και συνεπώς δίνουν κατ' αρχήν τη δυνατότητα επηρεασμού της ατομικής κίνησης.

Με την ανακάλυψη του λέιζερ μάς δόθηκε για πρώτη φορά η δυνατότητα παραγωγής και χρήσης φωτός με συγκεκριμένη συχνότητα (μονοχρωματικό), ισχυρή ένταση και κατευθυντικότητα. Στα τέλη της δεκαετίας του '60 άρχισαν οι πρώτες θεωρητικές προτάσεις για τη δυνατότητα επηρεασμού της ατομικής κίνησης με βομβαρδισμό ατόμων από φως λέιζερ. Οι δεκαετίες του '70 και του '80 αποτέλεσαν περίοδο εντατικής έρευνας σε Αμερική, Σοβιετική Ενωση και Ευρώπη, με αποτέλεσμα την επίτευξη για πρώτη φορά του «φρεναρίσματος» της ατομικής κίνησης («ψύξη») καθώς και του περιορισμού της σε συγκεκριμένη περιοχή του χώρου («παγίδευση»). Το αποτέλεσμα αυτό ήταν εκατομμύρια ταχύτατα άτομα να κινούνται βραδύτατα όπως το μέλι σε ένα βάζο. Το ατομικό αυτό μόρφωμα ονομάστηκε «οπτική μελάσα» (optical molasse).

Στη συνέχεια είχαμε τον έλεγχο της κίνησης μεμονωμένων ατόμων, γεγονός που έδωσε τη δυνατότητα να αρχίσουν πιο ακριβή πειράματα, που αφορούν στη δοκιμή θεμελιακών προτάσεων και αρχών της σύγχρονης κβαντικής φυσικής, όπως η περίφημη «γάτα του Shroedinger», το ατομικό λέιζερ, τα ατομικά ρολόγια Κεσίου, που μας εξασφάλισαν ακόμη μεγαλύτερες δυνατότητες για πιο ακριβή μέτρηση του χρόνου. Επίσης παλαιά επιτεύγματα της θεωρητικής φυσικής, όπως η συμπύκνωση Bose-Einstein, γίνονται πλέον εφικτά. Ενώ η κυματική φύση της ύλης (ίσως η πιο «παράδοξη» υπόθεση στη σύγχρονη φυσική) αποκτά πλέον μια νέου τύπου πειραματική επιβεβαίωση με την κατασκευή των ατομικών δεσμών, όπου μεγάλος αριθμός ατόμων κινείται σε συγκεκριμένη κατεύθυνση με συγκεκριμένη ταχύτητα, οπότε η δέσμη των ατόμων συμπεριφέρεται όπως μια δέσμη φωτός λέιζερ! Το γεγονός αυτό αποτέλεσε αφορμή για την ανάπτυξη ενός νέου ερευνητικού πεδίου της Ατομικής Οπτικής, από τη στιγμή που οι επιστήμονες κατασκεύασαν συστήματα χειρισμού των ατομικών δεσμών αντίστοιχα με αυτά της κλασικής οπτικής, όπως φακούς για δέσμες ατόμων, ατομικά κάτοπτρα και διαχωριστές ατομικών δεσμών. Οι τεχνολογικές εφαρμογές αυτών των επιτευγμάτων εκτείνονται από την ατομική λιθογραφία και τη συμβολομετρία ατόμων, έως την κατασκευή ατομοδηγών, δηλαδή μηχανισμών για τις ατομικές δέσμες αντίστοιχων με αυτούς των οπτικών ινών για το φως.

Θα πρέπει να αναφέρουμε ότι ο χειρισμός της κίνησης των ατόμων αποτελεί θεμέλιο λίθο στην ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών, της νέας και πολύ συναρπαστικής εποχής που αρχίζει να χαράζει στην επιστήμη των υπολογιστών. Τέλος, αξιοσημείωτες είναι οι εφαρμογές στη βιολογία και την κυτταρική χειρουργική με την ανάπτυξη των «οπτικών λαβίδων», μηχανισμών με τους οποίους κατορθώνουμε το χειρισμό της κίνησης κυτταρικών μορίων και τη μετατόπισή τους προς επιθυμητές κατευθύνσεις.

Πρόκειται για δυο από τις πολλές εντυπωσιακές φωτογραφίες (αποδίδονται με ψευδοχρώματα) που έστειλε το διαστημόπλοιο της ΝΑΣΑ που φέρει το όνομα TRACE (από τα αρχικά στα αγγλικά του ονόματος Εξερευνητής της Μεταβατικής Περιοχής και της Κορώνας του ήλιου). Στις φωτογραφίες απεικονίζονται για πρώτη φορά με εξαιρετική λεπτομέρεια μια ηλιακή κηλίδα και οι βρόγχοι πλάσματος που ξεπηδούν απ' αυτή (πλάσμα λέγεται η τέταρτη κατάσταση της ύλης στην οποία μεταπίπτει σε υψηλές θερμοκρασίες όταν πάψει να έχει τη μορφή ατόμων και γίνει ένα μείγμα υποατομικών σωματιδίων). Στις μπλε περιοχές η θερμοκρασία είναι 800.000 βαθμοί Κελσίου, στις πράσινες 1,5 εκατομμύριο βαθμοί και στις κόκκινες 2,7 εκατ. βαθμοί. Οι μικρότεροι ορατοί στις φωτογραφίες βρόγχοι πλάσματος έχουν διάμετρο περί τα 300 χιλιόμετρα. Οι μεγαλύτεροι βρόγχοι έχουν διάμετρο αρκετά μεγάλη για να χωρέσουν 15 πλανήτες σαν τη Γη!