Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Afkøling af en fanget ion til kvanteregimet

Kredit:CC0 Public Domain

Neutrale atomer og ladede ioner kan køles ned til ekstremt lave temperaturer (dvs. til mikrokelvin, 1 milliontedel af en grad over absolut nul) ved hjælp af laserteknikker. Ved disse lave temperaturer, partiklerne har ofte vist sig at opføre sig i overensstemmelse med lovene i kvantemekanikken.

Forskere har gennemført laserkølingsforsøg på atomer og ioner i årtier nu. Indtil nu, imidlertid, ingen undersøgelse havde observeret blandinger af både atomer og ioner ved ekstremt lave temperaturer.

Forskere ved universitetet i Amsterdam var de første til at opnå dette ved at placere en ion inde i en sky af lithiumatomer, der var afkølet til et par milliontedele af en kelvin. Deres observationer, udgivet i Naturfysik , afsløret talrige effekter, der kan have interessante konsekvenser for udviklingen af ​​nye kvante -teknologier.

"Kolde atomer og ioner finder anvendelser i undersøgelser, der tager sigte på at forstå fænomener i mange kvantiteter i kroppen og kan bruges i atomure eller muligvis endda kvantecomputere, "Dr. Rene Gerritsma, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Indtil nu, imidlertid, ingen havde nogensinde lavet en blanding af både atomer og ioner ved disse ultrakølede temperaturer. Målet bag vores undersøgelse var at opnå dette for første gang. "

I deres eksperimenter, Gerritsma og hans kolleger startede med at afkøle en enkelt ion ved hjælp af laserkølingsteknikker. Hver for sig, de forberedte også en sky på cirka 10, 000 litiumatomer og afkølet det til et par mikrokelvin.

Efterfølgende, forskerne overlappede ion med atomskyen og overvågede ionens energiniveauer, ved hjælp af et sæt værktøjer, der typisk bruges til forskning i fangede ionkvantecomputere. Dette gav dem i sidste ende mulighed for at bestemme energien fra kollisionen mellem ion og skyen af ​​atomer.

"Hovedudfordringen i vores eksperiment var at holde ion fanget i gassen, "Dr. Gerritsma forklarede." For at opnå dette, vi bruger elektriske felter, men disse har en negativ effekt på atom-ion-kollisionerne, forårsager opvarmning. "

Et par år siden, under lignende eksperimenter, en forskergruppe ved MIT forudsagde, at varmeeffekterne ved brug af elektriske felter kunne dæmpes ved hjælp af en meget tung ion og en let atomart. Denne forudsigelse inspirerede i sidste ende Gerritsma og hans kolleger til at udføre deres eksperimenter ved hjælp af en ytterbiumion og en sky af lithiumatomer.

"For allerførste gang, vi har observeret, at en ion i en neutral gas af atomer afkøler til et regime, hvor kvanteeffekter bliver vigtige, "Dr. Gerritsma sagde." Systemet kan bruges til at studere kvantekemi på enkeltpartikelniveau, eller kvante mangekroppens fysik i interaktion af atomer og ioner eller måske endda for at buffere gas, afkøle den fangede ion-kvantecomputer. "

Ved at måle atomernes og ionernes kinetiske energi i alle bevægelsesretninger, Gerritsma og hans kolleger var i stand til at indsamle en række interessante observationer. For eksempel, kollisionenergien mellem ytterbiumionen og lithiumatomer viste sig at nå det, der er kendt som s-bølge-grænsen, hvilket tyder på, at kvanteteori kan hjælpe til bedre at forstå kollisionen.

Forskergruppen fandt beviser, der peger på forekomsten af ​​kvantefænomener ved kollisioner mellem ion og atomer. Disse nye observationer kan have konsekvenser for fremtidig forskning, for eksempel, baner vejen for dybtgående undersøgelser af kortlivede atomionkonfigurationer kendt som magneto-molekylære resonanser. I deres næste undersøgelser, Gerritsma og hans kolleger planlægger at bruge en metode, der ligner den, der blev anvendt i deres seneste undersøgelse, til at søge efter såkaldte Feshbach-resonanser mellem atomer og ioner.

"I disse resonanser, atomet og ion kan danne et molekyle, og de kan bruges til at øge interaktionsstyrken mellem atomer og ioner, "Dr. Gerritsma sagde." Feshbach -resonanser er blevet observeret mellem neutrale atomer, og de er også forudsagt at eksistere mellem atomer og ioner. Imidlertid, de er aldrig blevet observeret, fordi de krævede ultrakølede temperaturer ikke var nået før nu. "

© 2020 Science X Network




Varme artikler