Фізики з колаборації NL ‑ eEDM змогли зупинити і зловити в пастки молекули фториду стронцію за допомогою штарківського уповільнювача на основі біжучої хвилі. Розвинена ними техніка дозволить зупиняти важкі нейтральні молекули, які неможливо зловити іншими методами. Це може бути корисно для експериментів, які перевіряють фундаментальні фізичні закони. Дослідження опубліковано в.
Важкі двохатомні молекули цікавлять вчених як квантові системи, в яких можна перевіряти основи фундаментальної фізики. До числа таких досліджень відноситься пошук електричного дипольного моменту електрона і порушення парності. Спектри молекул - це, як правило, головне джерело подібної інформації, однак, для того щоб точність експерименту була висока, бажано, щоб молекули були спіймані в пастки або хоча б істотно уповільнені.
У разі важких нейтральних молекул таких умов складно домогтися традиційними методами, наприклад, лазерним охолодженням, в силу їх великої інерції і нульового заряду. Тому фізики придумали метод штарківського гальмування, в основі якого лежить ефект виникнення поправок до енергетичних рівнів атомів і молекул, поміщених в електричне поле (ефект Штарка). У разі, якщо молекула, яка вільно поширюється, влітає в наведене поле, вона набуває штарківських поправок ціною кінетичної енергії. Швидке вимикання поля призводить до розсіювання цієї енергії, і, отже, до гальмування. Розмістивши серію електродів на шляху молекул, і включаючи, і вимикаючи їх у правильній послідовності, можна зупиняти нейтральні молекули.
Найважчі молекули, які вдавалося зупинити таким методом, - це CH3F і O2. Разом з тим, фізиків цікавить уповільнення молекул важких лужноземельних моногалогенідів, таких, як фториди стронцію і барію (SrF і BaF). Їх штарківське гальмування вимагає набагато довших уповільнювачів, які, однак, не володіють достатньою стабільністю, оскільки для ефективного гальмування перемикання електродів в них повинно бути дуже добре узгоджено зі швидкістю молекул.
Подолати ці труднощі вдалося Парул Аггарвал (Parul Aggarwal) з колегами з колаборації NL-eEDM, розташованої в Гронінгенському університеті. Вони змогли за допомогою штарківського підходу загальмувати і утримати молекули SrF в пастці на 50 мілісекунд, побивши, таким чином, рекорд з тяжкості захоплення нейтральної молекули в три рази. Щоб цього домогтися, автори використовували два суттєвих поліпшення стандартної техніки. По-перше, замість звичайного штарківського уповільнювача, в якому електроди включаються і вимикаються згідно з деякою програмою, вони використовували уповільнювач на основі біжучої хвилі. По-друге, вчені розробили інший тип джерела молекулярного пучка, швидкість частинок в якому лежить в діапазоні від 150 до 200 метрів в секунду.
Для цього вони опромінювали стронцієву мішень лазерними імпульсами з довжиною хвилі 532 нанометри, тривалістю 5 наносекунд і енергією 4 міліджоулі на імпульс. Це призводило до абляції стронцію в простір камери, де він, вступаючи в реакцію з газоподібним гексафторидом сірки, утворював молекули SrF. Потім важкі молекули симпатично охолоджувалися неоновим газом у два етапи і вилітали з камери в штарківський уповільнювач біжучої хвилі. На відстані п'яти міліметрів від виходу з камери молекули перетинали лазерний промінь, який детектував характеристики пучка за спектрами їх поглинання. Інший промінь очікував молекули на виході з уповільнювача разом із системою реєстрації лазерно-індукованої флуоресценції.
Уповільнювач біжучої хвилі являє собою систему соосних кілець-електродів довжиною 4,5 метра. Напруга на електродах має вигляд синусоїдальної хвилі зі змінною швидкістю. Така форма полів утворює послідовність електростатичних пасток, які обмежують молекули, що потрапили в них, у всіх трьох напрямках.
На самому початку роботи фізики експериментували зі швидкостями біжучої хвилі і з'ясували що при її швидкості, рівній 190 метрам в секунду, частка молекул, захоплюваних хвилею, максимальна. Вони вибрали цю швидкість в якості стартової для процедури гальмування, в результаті якого рівномірно зменшували її до різних фінальних значень. Вивчаючи за допомогою сигналу флуоресценції те, як розподіл затриманих молекул залежить від фінальної швидкості, автори з'ясували, що при більш сильному гальмуванні число зайнятих пасток, а також число частинок в них зменшується. Вони змогли оцінити розкид швидкостей загальмованих молекул, який склав 10, 2 і 4, 1 метр на секунду для фінальних швидкостей, рівних 170 і 10 метрів на секунду відповідно.
Нарешті, фізики спробували повністю зупинити молекули. Для цього вони доводили швидкість біжучої хвилі до нуля, утримували пастки нерухомо протягом деякого часу, а потім виштовхували молекули з уповільнювача для вимірювання сигналу на виході. Виявилося, що таким способом можна утримувати частинки до 50 мілісекунд. В останньому випадку зайнятими молекулами виявляються лише п'ять періодів хвилі. Середня швидкість молекул при цьому становить 4-1 метрів на секунду, що відповідає температурі 60-20 мілікельвін.
За допомогою комбінованого аналізу ефективності флуоресценції, а також ефективності захоплення молекул в уповільнювачі, фізики оцінили їх кількість, яка склала близько тисячі молекул на 16 пасток. За цим параметром їх пастки виявилися співставними з першими магніто-оптичними пастками, використаними для захоплення молекул SrF. І хоча молекули SrF можна охолоджувати і ловити за допомогою лазера, розвинений ними метод можна використовувати для тих об'єктів, до яких зазначені оптичні методи не застосовні. Зокрема, вони планують затримувати таким способом ще більш важкі молекули BaF, щоб використовувати їх для перевірки фундаментальних законів.
Щоб бути холодним, ансамблю частинок не обов'язково бути повільним, адже в системі його центру мас середня швидкість частинок дорівнює нулю. Користуючись цим принципом, фізики навчилися точно вимірювати спектральні властивості іонів, розігнаних до релятивістських швидкостей.