De kleine kegelvormige "skimmers" die worden gebruikt in experimenten die op zoek zijn naar exotische chemisch-kwantumverschijnselen, lijken op de inlaatmechanismen van vliegtuigmotoren, en ze voeren vergelijkbare functies uit:elk stuurt de gasstroom - de motorinlaat regelt de toevoer van lucht voor het verbranden van brandstof, en de "skimmer" creëert stralen van koud vliegende atomen of moleculen. Hoewel skimmers al tientallen jaren een noodzakelijk onderdeel zijn in atomaire en moleculaire bundelexperimenten, het was ook bekend dat ze een fundamentele limiet oplegden aan het aantal deeltjes dat in de straal kon worden verpakt. Echter, Prof. Edvardas Narevicius en zijn team van de afdeling Chemische Fysica van het Weizmann Institute of Science hebben nu een eenvoudige manier onthuld om deze limiet te overwinnen.

Koudestraalexperimenten worden uitgevoerd in laboratoria over de hele wereld om atomen en moleculen te observeren die zich op een kwantummanier gedragen - zoals, bijvoorbeeld, golven die met elkaar interfereren. Balken bij elkaar optellen, zoals Narevicius en zijn groep doen in hun lab, creëert nieuwe en interessante chemische reacties.

Narevicius legt uit dat de extreme koeling die nodig is voor dergelijke experimenten - dicht bij het absolute nulpunt - wordt bereikt door een gas van atomen of moleculen door een klein mondstuk in een vacuümkamer te spuiten, van hoge druk tot bijna geen. De atomen in het experiment verspreidden zich, vormen een zeer koude wolk van atomen die zeer snel bewegen. Skimmers worden gebruikt om sommige van deze atomen in een straal te richten. "Men zou denken, " zegt Narevicius, "dat als het gas in de bus onder een hogere druk staat, en geeft zo meer atomen tegelijk vrij in de vacuümkamer, de resulterende bundel zou een hogere dichtheid hebben. Maar dat is niet het geval. Boven een bepaalde druk neemt de dichtheid af. Onderzoekers weten niet hoe ze deze limiet kunnen overwinnen, het plaatsen van veel interessante experimenten buiten bereik."

"Dit was een perfect probleem voor mijn student, Yair Segev, ", voegt Narevicius toe. Segev kwam naar het Weizmann-instituut met expertise in ruimtevaarttechnologie en fysica. Beginnend met een algoritme dat door ruimtevaartingenieurs wordt gebruikt om stromingen hoog in de atmosfeer te modelleren, hij maakte simulaties van de deeltjesstroom in de skimmers. Deze simulaties onthulden het bestaan ​​van schokgolven in de skimmerkegels, die de daaropvolgende stroom van deeltjes in de straal blokkeerde. Dit fenomeen komt voort uit interacties tussen de deeltjes van de bundel en de kegel:deeltjes stuiteren met hoge snelheden op de skimmer, botsen en de stroom van de straal verstoren. De hoge gereflecteerde snelheden zijn het gevolg van de "hete" (dat wil zeggen, kamertemperatuur) oppervlak van de skimmer, dus probeerde Segev de simulatie met gekoelde skimmers. De resultaten toonden een significante vermindering van de schokgolven, evenals veel dichtere balken achter hen.

Vervolgens ondernam het team experimenten met verschillende moleculaire bundels, het koelen van hun skimmers tot geleidelijk lagere temperaturen. Door de tests uit te voeren met neon en andere soorten fluorescerend plasma konden ze de kleurrijke resultaten duidelijk waarnemen. De onderzoekers ontdekten dat de vorm van de schokgolven aanzienlijk was veranderd en dat de dichtheid van de stralen inderdaad toenam met skimmerkoeling, piekte wanneer de temperatuur onder enkele tientallen graden boven het absolute nulpunt lag - koud genoeg om atomen tot aan de punt van de kegel te bevriezen en zo de rest door te laten stromen "zonder enige verstoring van de skimmer, ' zegt Narevicius.

"De schokgolven in en rond de skimmers blijken vergelijkbaar te zijn met die welke een ruimtevaartuig ervaart wanneer het de grens tussen het vacuüm van de ruimte en de bovenste atmosfeer overschrijdt, ", zegt Segev. "In beide gevallen, het onderdrukken van de warmteoverdracht tussen het oppervlak en het gas kan de vorm van de stroming drastisch veranderen. In het ruimtevaartuig willen we voorkomen dat de atmosfeer de schaal opwarmt, terwijl we in onze experimenten willen voorkomen dat de skimmer onze koude balken opwarmt."