En original metode til afkøling af ioner kunne have nye og interessante anvendelser

Når man undersøger atomer, forskere står over for en udfordring:Ved stuetemperatur, enkelte atomer i en gas har kinetisk energi, og flyve rundt med store hastigheder. Temperaturen er, i det væsentlige, den relative bevægelse mellem atomer; således målet om at få atomerne til at have små relative hastigheder indebærer at fryse dem til ekstremt kolde temperaturer. En gruppe ved Weizmann Institute of Science har nu udviklet en ny universel metode til køling af ioner.

Ioner, atomer med elektriske ladninger, afkøles i dag i fælder ved hjælp af elektriske og magnetiske felter og derefter afkøles yderligere med lasere. Den nye metode, udviklet af stabsforskere Dr. Oded Heber og Dr. Michael Rappaport, og postdoktorer Dr. Reetesh Kumar Gangwar og Dr. Koushik Saha, i laboratoriet af prof. Daniel Zajfman fra partikelfysik og astrofysikafdeling ved Weizmann Institute of Science, kræver ikke lasere.

I fortiden, Prof. Zajfman og hans gruppe havde skabt en forbedret version af en ionfælde kaldet en elektrostatisk ionstrålefælde - et apparat til opbevaring af ioner, der var meget mindre end standard ionlagringsringene, som har en tendens til at være meget store og dyre. I en elektrostatisk fælde, ioniske molekyler svinger, når de flyver med hastigheder op til 10, 000 km/t - og disse køler ned internt i fælden. Systemer som dette kan i laboratoriet genskabe det sparsomme stof, der findes i interstellarrum.

Når grupper af ioner svinger i fælden ved disse høje hastigheder, der er en naturlig fordeling af frekvenser. På dette tidspunkt, forskerne har en metode, hvor "variabel periodisk impulsspænding" påføres for at adskille de koldeste ioner i denne fordeling, fremskynder kun disse. Ved at fortsætte med at anvende spændinger, forskere kan til sidst ende med de aller koldeste ioner. "Denne proces, "siger Heber, "er ikke så meget afkøling som 'filtrering' eller sortering af ioner efter de temperaturer, de har nået."

I de seneste forsøg har imidlertid, gruppen afstemte fælden, så densiteten af ​​ionerne i den elektrostatiske ionstrålefælde kan øges 1, 000 gange i kanterne. Forøgelse af tætheden øger naturligvis forekomsten af ​​kollisioner mellem ionerne i strålen, og resultatet er, at energi deles mellem ionerne. Forskerne opdagede, at der var en forbedret korrelation mellem positionen af ​​en ion i gruppen og dets kinetiske energiniveau. De koldeste ioner var i midten. Ja, energien - eller temperaturen - blev overført til ionerne ved kanterne, producerer mere ekstremt kolde ioner i den accelererede flok. "Denne overraskende proces, "siger Heber, "klarer allerede testen af ​​ægte køling."

I et papir, der for nylig blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , gruppen beskriver en række eksperimenter, hvor ioner nåede temperaturer på cirka en tiendedel grad over det absolutte nul. Forskerne udfører i øjeblikket yderligere forsøg for at finjustere systemet og få iontemperaturerne endnu lavere.

Heber siger, at den nye metode er vigtig, fordi køleprocessen ikke afhænger af hverken ionens type eller vægt. Således kan den bruges, for eksempel, at undersøge egenskaberne ved store biologiske molekyler eller nanopartikler.