Физики научились охлаждать отрицательные ионы

Немецкие физики за две минуты охладили облако отрицательных ионов кислорода от 13000 до 3800 кельвин, отсеивая «горячие» ионы с помощью лазера. Поскольку для отрицательных ионов стандартные методы охлаждения не работают, этот результат является своеобразным рекордом. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

В настоящее время экспериментаторы отлично умеют получать ультрахолодные газы, состоящие из отдельных атомов или положительно заряженных ионов. Как правило, температура таких газов находится на уровне нескольких десятых или сотых долей кельвина, а в некоторых случаях опускается ниже одной миллионной кельвина. Чтобы добиться таких низких температур, ученые полагаются на лазерное охлаждение, а точнее — на эффект Доплера и спонтанное комбинационное рассеяние. Грубо говоря, с помощью лазера физики возбуждают атомы и заставляют их терять энергию. Подробнее про лазерное охлаждение можно прочитать в новости «Лазерное охлаждение помогло получить бозе-конденсат взаимодействующих фотонов» или статье «Демон Максвелла: наука невозможного», а также послушать в рассказе физика Владимира Мележика.

К сожалению, для отрицательных ионов (анионов) стандартные методы лазерного охлаждения не подходят. В самом деле, чтобы получить отрицательный ион, нужно присоединить к атому один или несколько дополнительных электронов. Поскольку потерять такие электроны очень легко, возбужденные состояния большинства анионов нестабильны. Проще говоря, если посветить на такой ион с помощью лазера, он просто развалится (а не замедлится, как это происходит с положительно заряженными ионами). Ситуацию еще больше осложняет тот факт, что стартовая температура ионов, пойманных в ловушку, обычно составляет около десяти тысяч градусов.

В то же время, с помощью ультрахолодного газа анионов можно охлаждать другие отрицательные частицы — достаточно погрузить частицы в «ванну» из ультрахолодного газа и немного подождать. В частности, это один из немногих способов получить холодную антиматерию, необходимую для сверхточной проверки слабого принципа эквивалентности. Поэтому научиться охлаждать облака анионов очень важно.

Группа физиков под руководством Албана Келлербауера (Alban Kellerbauer) обратила хрупкость анионов на пользу и всего за две минуты охладила их до температуры 3800 кельвин. Для этого ученые воспользовались методом, который около тридцати лет назад предложила французский физик Энн Крубилье (Anne Crubellier). Этот метод полагается на два соображения о поведении анионов, удерживаемых с помощью электрического поля. Во-первых, «горячие» анионы с более высокой кинетической энергией в среднем находятся дальше от центра ловушки, чем холодные ионы. Во-вторых, если облучить анионы лазером, они потеряют электрон, перестанут чувствовать удерживающее электрическое поле и вскочат за пределы ловушки. Следовательно, если облучать облако анионов на некотором расстоянии от центра ловушки, средняя температура облака постепенно будет уменьшаться.

Чтобы проверить этот метод на практике, исследователи загрузили в ловушку Пауля порядка двадцати тысяч анионов кислорода O^? со средней температурой около 13 тысяч кельвинов. Получившееся облако атомов напоминало сильно вытянутую сигару диаметром около половины миллиметра. Затем ученые просветили облако зеленым лазером (длина волны 532 нанометра) и экспериментально подобрали оптимальное расстояние, на котором скорость охлаждения была наибольшей. Как и ожидалось, эксперимент практически идеально совпал с теоретически предсказанным расстоянием d?1,5 миллиметра. Чтобы измерить конечную температуру облака и число атомов, которое в нем содержится, ученые открывали ловушку и пропускали оставшиеся частицы сквозь микроканальную пластину.

В результате ученые обнаружили, что под действием лазера облако быстро охлаждалось, причем скорость охлаждения увеличивалась одновременно с повышением мощности лазера. Когда лазер был выключен, за две минуты облако успевало охладиться до 8700 кельвин за счет теплообмена с небольшим количеством остаточного воздуха (давление в ловушке не превышало 10^?7 паскаль). Когда же лазер работал на полную мощность, за то же время температура облака падала до 3800 кельвин. При этом в ловушке оставалось всего около одной восьмой от исходного числа частиц. Конечно, 3800 кельвин группы Келлербауера выглядит довольно блекло по сравнению с нанокельвинами, которые можно получить для положительных ионов. Тем не менее, в будущем ученые собираются довести конечную температуру облака до 100 кельвинов — температуры, при которой начинает работать доплеровское охлаждение. Теоретически этот способ позволяет всего за несколько секунд охладить анионы до десятых долей микрокельвина. Если физикам удастся это сделать, то отрицательные и положительные ионы будут работать на равных.

Холодные атомные газы часто помогают физикам исследовать более сложные системы. В частности, с помощью таких газов ученые изготавливают сверхточные часы и квантовые компьютеры, создают пространственно-временные кристаллы и сверхтекучие твердые тела, моделируют излучение Хокинга и космологическую инфляцию. Как правило, температура газов в таких экспериментах не превышает десятой доли кельвина.

Дмитрий Трунин

Источник: nplus1.ru

Комментарии: