Bij het onderzoeken van atomen, wetenschappers staan ​​voor een uitdaging:bij kamertemperatuur, individuele atomen in een gas hebben kinetische energie, en met grote snelheden rondvliegen. Temperatuur is, in essentie, de relatieve beweging tussen atomen; dus het doel om de atomen kleine relatieve snelheden te laten hebben, houdt in dat ze worden bevriezen tot extreem lage temperaturen. Een groep van het Weizmann Institute of Science heeft nu een nieuwe universele methode ontwikkeld voor het koelen van ionen.

ionen, atomen met elektrische ladingen, worden tegenwoordig gekoeld in vallen met behulp van elektrische en magnetische velden en vervolgens verder gekoeld met lasers. De nieuwe methode, ontwikkeld door stafwetenschappers Dr. Oded Heber en Dr. Michael Rappaport, en postdoctorale fellows Dr. Reetesh Kumar Gangwar en Dr. Koushik Saha, in het laboratorium van Prof. Daniel Zajfman van de afdeling Particle Physics and Astrophysics van het Weizmann Institute of Science, geen laser nodig.

Vroeger, Prof. Zajfman en zijn groep hadden een verbeterde versie van een ionenvanger gemaakt, een zogenaamde elektrostatische ionenbundelval - een apparaat voor het opslaan van ionen dat veel kleiner was dan de standaard ionenopslagringen, die vaak erg groot en duur zijn. In een elektrostatische val, ionische moleculen oscilleren terwijl ze vliegen met snelheden tot 10, 000 km/u - en deze koelen intern in de val af. Dergelijke systemen kunnen in het laboratorium de schaarse materie die in de interstellaire ruimte bestaat, recreëren.

Wanneer groepen ionen met deze hoge snelheden in de val oscilleren, er is een natuurlijke verdeling van frequenties. In dit stadium, de wetenschappers hebben een methode waarbij "variabele periodieke impulsspanning" wordt toegepast om de koudste ionen in die verdeling te scheiden, alleen deze versnellen. Door spanningen te blijven aanleggen, onderzoekers kunnen uiteindelijk eindigen met de allerkoudste ionen. "Dit proces, " zegt Heber, "is niet zozeer afkoeling als wel het 'filteren' of sorteren van ionen op basis van de temperaturen die ze hebben bereikt."

Bij recente experimenten is echter, de groep stemde de val af zodat de dichtheid van de ionen in de elektrostatische ionenbundelval kan worden verhoogd 1, 000-voudig aan de randen. Het verhogen van de dichtheid verhoogt op natuurlijke wijze de incidentie van botsingen tussen de ionen in de bundel, en het resultaat is dat energie wordt gedeeld tussen de ionen. De wetenschappers ontdekten dat er een verhoogde correlatie was tussen de positie van een ion binnen de groep en het kinetische energieniveau. De koudste ionen bevonden zich in het midden. Inderdaad, de energie - of temperatuur - werd overgebracht naar de ionen aan de randen, produceren van meer extreem koude ionen in de versnelde bundel. "Dit verrassende proces, " zegt Heber, "doorstaat al de test van echte koeling."

In een onlangs gepubliceerd artikel in Fysieke beoordelingsbrieven , de groep beschrijft een reeks experimenten waarbij ionen temperaturen bereikten van ongeveer een tiende graad boven het absolute nulpunt. De onderzoekers voeren momenteel verdere experimenten uit om het systeem te verfijnen en de ionentemperaturen nog lager te krijgen.

Heber zegt dat de nieuwe methode belangrijk is omdat het koelproces niet afhankelijk is van het type of het gewicht van het ion. Zo kan het gebruikt worden, bijvoorbeeld, om de eigenschappen van grote biologische moleculen of nanodeeltjes te onderzoeken.