Hvordan man reducerer chokbølger i kvantestråleeksperimenter

De bittesmå kegleformede "skimmere", der bruges i eksperimenter på udkig efter eksotiske kemiske kvantefænomener, ligner indsugningsmekanismerne for flymotorer, og de udfører lignende funktioner:Hver styrer gasstrømmen - motorindtaget styrer tilførslen af ​​luft til forbrænding af brændstof, og "skimmeren" skaber stråler af koldt flyvende atomer eller molekyler. Mens skimmere har været en nødvendig komponent i atom- og molekylstråleeksperimenter i årtier, de var også kendt for at pålægge en grundlæggende grænse for antallet af partikler, man kunne pakke ind i strålen. Imidlertid, Prof. Edvardas Narevicius og hans team i Weizmann Institute of Science's Chemical Physics Department har nu afsløret en enkel måde at overvinde denne grænse på.

Koldstråleeksperimenter udføres i laboratorier rundt om i verden for at observere atomer og molekyler, der opfører sig på en kvante måde - som, for eksempel, bølger, der forstyrrer hinanden. Tilføjelse af bjælker sammen, som Narevicius og hans gruppe gør i deres laboratorium, skaber nye og interessante kemiske reaktioner.

Narevicius forklarer, at den ekstreme afkøling, der er nødvendig for sådanne eksperimenter - tæt på det absolutte nulpunkt - opnås ved at sprøjte en gas af atomer eller molekyler gennem en lille dyse ind i et vakuumkammer, fra højtryk til næsten ingen. Atomerne i eksperimentet spredte sig, danner en meget kold sky af atomer, der bevæger sig meget hurtigt. Skimmere bruges til at lede nogle af disse atomer ind i en stråle. "Man skulle tro, " siger Narevicius, "at hvis gassen i beholderen har et højere tryk, og dermed frigiver flere atomer på én gang ind i vakuumkammeret, den resulterende stråle ville have en højere tæthed. Men det er ikke tilfældet. Over et vist tryk aftager tætheden. Forskere har ikke vidst, hvordan man kan overvinde denne grænse, placerer mange interessante eksperimenter uden for rækkevidde."

"Dette var et perfekt problem for min elev, Yair Segev, " tilføjer Narevicius. Segev kom til Weizmann Instituttet med ekspertise inden for rumfartsteknologi og -fysik. Begyndende med en algoritme, der bruges af rumfartsingeniører til at modellere strømme højt i atmosfæren, han lavede simuleringer af partikelstrømmen i skimmerne. Disse simuleringer afslørede eksistensen af ​​chokbølger i skimmerkeglerne, som blokerede for den efterfølgende strøm af partikler i strålen. Dette fænomen opstår fra interaktioner mellem strålens partikler og keglen:partikler preller af skimmeren ved høje hastigheder, kolliderer og forstyrrer strålens flow. De høje reflekterede hastigheder skyldes det "varme" (dvs. stuetemperatur) overfladen af ​​skimmeren, så Segev prøvede simuleringen med afkølede skimmere. Resultaterne viste en signifikant reduktion i chokbølgerne, samt meget tættere bjælker bag dem.

Derefter foretog holdet eksperimenter med forskellige molekylære stråler, nedkøling af deres skimmere til gradvist lavere temperaturer. Udførelse af testene med neon og andre typer fluorescerende plasma gjorde det muligt for dem tydeligt at observere de farverige resultater. Forskerne fandt ud af, at formen på chokbølgerne blev væsentligt ændret, og tætheden af ​​bjælkerne steg med skimmerafkøling, toppede, når temperaturen var under nogle snesevis af grader over det absolutte nulpunkt - koldt nok til at fryse atomer til spidsen af ​​keglen og dermed lade resten strømme igennem "uden at føle nogen forstyrrelse fra skimmeren, " siger Narevicius.

"Chokbølgerne i og omkring skimmerne viser sig at ligne dem, et rumfartøj oplever, når det krydser grænsen mellem rummets vakuum og den øvre atmosfære, " siger Segev. "I begge tilfælde, at undertrykke den varme, der overføres mellem overfladen og gassen, kan drastisk ændre formen på strømmen. I rumfartøjet ønsker vi at forhindre atmosfæren i at opvarme skallen, mens vi i vores eksperimenter vil forhindre, at skimmeren opvarmer vores kolde stråler."