Фізики навчилися охолоджувати негативні іони
Німецькі фізики за дві хвилини охолодили хмару негативних іонів кисню від 13000 до 3800 кельвін, відсіваючи «гарячі» іони за допомогою лазера. Оскільки для негативних іонів стандартні методи охолодження не працюють, цей результат є своєрідним рекордом. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє.
В даний час експериментатори відмінно вміють отримувати ультрахолодні гази, що складаються з окремих атомів або позитивно заряджених іонів. Як правило, температура таких газів знаходиться на рівні декількох десятих або сотих часток кельвіна, а в деяких випадках опускається нижче однієї мільйонної кельвіна. Щоб домогтися таких низьких температур, вчені покладаються на лазерне охолодження, а точніше - на ефект Доплера і спонтанне комбінаційне розсіювання. Грубо кажучи, за допомогою лазера фізики збуджують атоми і змушують їх втрачати енергію. Детальніше про лазерне охолодження можна прочитати в новині "Лазерне охолодження допомогло отримати бозе-конденсат взаємодіючих фотонів" або статті "Демон Максвелла: наука неможливого ", а також послухати в оповіданні фізика Володимира Мележика.
На жаль, для негативних іонів (аніонів) стандартні методи лазерного охолодження не підходять. Справді, щоб отримати негативний іон, потрібно приєднати до атома один або кілька додаткових електронів. Оскільки втратити такі електрони дуже легко, збуджені стани більшості аніонів нестабільні. Простіше кажучи, якщо посвітити на такий іон за допомогою лазера, він просто розвалиться (а не забариться, як це відбувається з позитивно зарядженими іонами). Ситуацію ще більше ускладнює той факт, що стартова температура іонів, спійманих у пастку, зазвичай становить близько десяти тисяч градусів.
У той же час, за допомогою ультрахолодного газу аніонів можна охолоджувати інші негативні частинки - досить занурити частинки в «ванну» з ультрахолодного газу і трохи почекати. Зокрема, це один з небагатьох способів отримати холодну антиматерію, необхідну для надточної перевірки слабкого принципу еквівалентності. Тому навчитися охолоджувати хмари аніонів дуже важливо.
Група фізиків під керівництвом Албана Келлербауера (Alban Kellerbauer) звернула крихкість аніонів на користь і всього за дві хвилини охолодила їх до температури 3800 кельвін. Для цього вчені скористалися методом, який близько тридцяти років тому запропонувала французький фізик Енн Крубільє (Anne Crubellier). Цей метод покладається на два міркування про поведінку аніонів, утримуваних за допомогою електричного поля. По-перше, «гарячі» аніони з більш високою кінетичною енергією в середньому знаходяться далі від центру пастки, ніж холодні іони. По-друге, якщо опромінювати аніони лазером, вони втратять електрон, перестануть відчувати утримуюче електричне поле і вскочать за межі пастки. Отже, якщо опромінювати хмару аніонів на деякій відстані від центру пастки, середня температура хмари поступово зменшуватиметься.
Щоб перевірити цей метод на практиці, дослідники завантажили в пастку Пауля близько двадцяти тисяч аніонів кисню O - із середньою температурою близько 13 тисяч кельвінів. Отримана хмара атомів нагадувала сильно витягнуту сигару діаметром близько половини міліметра. Потім вчені просвітили хмару зеленим лазером (довжина хвилі 532 нанометри) і експериментально підібрали оптимальну відстань, на якій швидкість охолодження була найбільшою. Як і очікувалося, експеримент практично ідеально збігся з теоретично передбаченою відстанню в 1,5 міліметра. Щоб виміряти кінцеву температуру хмари і число атомів, яке в ній міститься, вчені відкривали пастку і пропускали решту частинок крізь мікроканальну пластину.
У результаті вчені виявили, що під дією лазера хмара швидко охолоджувалася, причому швидкість охолодження збільшувалася одночасно з підвищенням потужності лазера. Коли лазер був вимкнений, за дві хвилини хмара встигала охолодитися до 8700 кельвін за рахунок теплообміну з невеликою кількістю залишкового повітря (тиск у пастці не перевищував 10 − 7 паскаль). Коли ж лазер працював на повну потужність, за той же час температура хмари падала до 3800 кельвін. При цьому в пастці залишалося всього близько однієї восьмої від вихідного числа частинок.
Звичайно, 3800 кельвін групи Келлербауера виглядає досить блякло в порівнянні з нанокельвінами, які можна отримати для позитивних іонів. Тим не менш, в майбутньому вчені збираються довести кінцеву температуру хмари до 100 кельвінів - температури, при якій починає працювати доплерівське охолодження. Теоретично цей спосіб дозволяє всього за кілька секунд охолодити аніони до десятих часток мікрокельвіна. Якщо фізикам вдасться це зробити, то негативні і позитивні іони будуть працювати на рівних.
Холодні атомні гази часто допомагають фізикам досліджувати складніші системи. Зокрема, за допомогою таких газів вчені виготовляють надточні годинники і квантові комп'ютери, створюють просторово-часові кристали і надплинні тверді тіла, моделюють випромінювання Хокінга і космологічну інфляцію. Як правило, температура газів у таких експериментах не перевищує десятої частки кельвіна.