Разработан метод получения ультрахолодного газа из отрицательно заряженных ионов

Немецкие учёные совершили настоящий прорыв! Им удалось за считанные минуты охладить облако отрицательно заряженных ионов кислорода с невероятной температуры в 13000 кельвинов до более комфортных 3800. Это достижение стало возможным благодаря использованию лазера, который очень бережно “отфильтровывал” из облака самые “горячие” ионы. Ведь охлаждение отрицательных ионов – это настоящая головоломка для физиков, и этот успех можно считать рекордом! Статья об этом открытии уже опубликована в престижном журнале Physical Review Letters. В наши дни науке покоряются всё более сложные задачи. Мы уже умеем получать ультрахолодные газы из атомов или положительно заряженных ионов, охлаждая их до невероятных температур, близких к абсолютному нулю. А теперь, благодаря этому прорыву, мы можем исследовать и отрицательные ионы в таких же “заморозках”! Это открывает новые возможности для изучения свойств вещества и позволит нам глубже понять мир вокруг нас.

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.

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 Oсо 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.

Схема ловушки, в которой ученые удерживали анионы. Giovanni Cerchiari et al. / Physical Review Letters

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.

Зависимость температуры анионов от времени удержания при разной мощности лазера (в электронвольтах, один электронвольт = 11600 кельвинов). Giovanni Cerchiari et al. / Physical Review Letters

Зависимость температуры анионов от числа частиц, оставшихся после охлаждения, при разной мощности лазера (в электронвольтах, один электронвольт = 11600 кельвинов). Giovanni Cerchiari et al. / Physical Review Letters

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.

Автор: Дмитрий Трунин
Источник: https://nplus1.ru/