Forskere guider en enkelt ion gennem et Bose-Einstein-kondensat

Transportprocesser er allestedsnærværende i naturen, men rejser stadig mange spørgsmål. Forskergruppen omkring Florian Meinert fra Fifth Institute of Physics ved University of Stuttgart har nu udviklet en ny metode til at observere en enkelt ladet partikel på sin vej gennem en tæt sky af ultrakølede atomer. Resultaterne blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve og er yderligere rapporteret i en Viewpoint-kolonne i journalen Fysik .

Meinerts team brugte et Bose-Einstein-kondensat (BEC) til deres eksperimenter. Denne eksotiske tilstand af stof består af en tæt sky af ultrakolde atomer. Ved hjælp af sofistikeret laser excitation, forskerne skabte et enkelt Rydberg -atom i gassen. I dette kæmpe atom, elektronen er tusind gange længere væk fra kernen end i grundtilstanden og dermed kun meget svagt bundet til kernen. Med en specielt designet sekvens af elektriske feltimpulser, forskerne snuppede elektronen væk fra atomet. Det tidligere neutrale atom blev til en positivt ladet ion, der næsten holdt sig i ro trods processen med at løsne elektronen.

I det næste trin, forskerne brugte præcise elektriske felter til at trække ionen på en kontrolleret måde gennem den tætte sky af atomer i BEC. Ionen tog fart i det elektriske felt, kolliderede på sin vej med andre atomer, bremset og blev igen accelereret af det elektriske felt. Samspillet mellem acceleration og deceleration ved kollisioner førte til en konstant bevægelse af ion gennem BEC.

"Denne nye tilgang giver os mulighed for at måle mobiliteten af ​​en enkelt ion i et Bose-Einstein-kondensat for allerførste gang, siger Thomas Dieterle, en ph.d. elev, der deltog i forsøget. Forskernes næste mål er at observere kollisioner mellem en enkelt ion og atomer ved endnu lavere temperaturer, hvor kvantemekanik i stedet for klassisk mekanik dikterer processerne. "I fremtiden, vores nyoprettede modelsystem-transport af en enkelt ion-vil give mulighed for en bedre forståelse af mere komplekse transportprocesser, der er relevante i mangekropssystemer, f.eks., i visse faste stoffer eller i superledere, "Siger Meinert. Disse målinger er også et vigtigt skridt på vejen til at undersøge eksotiske kvasi-partikler, såkaldte polaroner, som kan opstå gennem interaktion mellem atomer og ioner.

Nabo -laboratoriet på instituttet arbejder allerede på et ionmikroskop, der gør det muligt for forskere at observere kollisioner mellem atomer og ioner direkte. Mens et elektronmikroskop bruger negativt ladede partikler til at skabe et billede, det er hvad der sker i et ionmikroskop med positivt ladede ioner. Elektrostatiske linser afleder ioner, der ligner lysstråler i et klassisk optisk mikroskop.