Neutrale atomen en geladen ionen kunnen worden afgekoeld tot extreem lage temperaturen (d.w.z. naar microkelvin, 1 miljoenste graad boven het absolute nulpunt) met behulp van lasertechnieken. Bij deze lage temperaturen de deeltjes blijken zich vaak te gedragen volgens de wetten van de kwantummechanica.

Onderzoekers voeren al tientallen jaren laserkoelingsexperimenten uit op atomen en ionen. Tot dusver, echter, geen enkele studie had mengsels van zowel atomen als ionen waargenomen bij extreem lage temperaturen.

Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam waren de eersten die dit bereikten door een ion in een wolk van lithiumatomen te plaatsen die voorgekoeld waren tot enkele miljoenste kelvin. Hun observaties, gepubliceerd in Natuurfysica , onthulde tal van effecten die interessante implicaties kunnen hebben voor de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën.

"Koude atomen en ionen vinden toepassingen in onderzoeken die gericht zijn op het begrijpen van kwantum veel-lichaamsverschijnselen en zouden kunnen worden gebruikt in atoomklokken of mogelijk zelfs in kwantumcomputers, "Dr. René Gerritsma, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Tot dusver, echter, niemand had ooit een mengsel gemaakt van zowel atomen als ionen bij deze ultrakoude temperaturen. Het doel van ons onderzoek was om dit voor het eerst te bereiken."

In hun experimenten, Gerritsma en zijn collega's begonnen met het koelen van een enkel ion met behulp van laserkoelingstechnieken. Afzonderlijk, ze maakten ook een wolk van ongeveer 10, 000 lithiumatomen en koelde het af tot een paar microkelvin.

Vervolgens, de onderzoekers overlapten het ion met de wolk van atomen en volgden de energieniveaus van het ion, met behulp van een reeks hulpmiddelen die doorgaans worden gebruikt voor onderzoek naar kwantumcomputers met ingesloten ionen. Hierdoor konden ze uiteindelijk de energie bepalen die voortkomt uit de botsing tussen het ion en de wolk van atomen.

"De grootste uitdaging in ons experiment was om het ion opgesloten te houden in het gas, Dr. Gerritsma legt uit. "Om dit te bereiken, we gebruiken elektrische velden, maar deze hebben een negatief effect op de atoom-ion-botsingen, verwarming veroorzaken."

Een paar jaar geleden, tijdens het uitvoeren van soortgelijke experimenten, een onderzoeksgroep aan het MIT voorspelde dat de verhittingseffecten als gevolg van het gebruik van elektrische velden kunnen worden verzacht met behulp van een zeer zwaar ion en een lichte atoomsoort. Deze voorspelling inspireerde Gerritsma en zijn collega's uiteindelijk om hun experimenten uit te voeren met een ytterbium-ion en een wolk van lithiumatomen.

"Voor de allereerste keer, we hebben waargenomen dat een ion in een neutraal gas van atomen afkoelt tot een regime waarin kwantumeffecten belangrijk worden, "Zei Dr. Gerritsma. "Het systeem kan worden gebruikt om kwantumchemie op het niveau van een enkel deeltje te bestuderen, of de kwantumfysica van veeldeeltjes van op elkaar inwerkende atomen en ionen of misschien zelfs om gas te bufferen om de kwantumcomputer met ingesloten ionen te koelen."

Door de kinetische energie van de atomen en ionen in alle bewegingsrichtingen te meten, Gerritsma en zijn collega's hebben een aantal interessante observaties kunnen verzamelen. Bijvoorbeeld, de botsingsenergie tussen de ytterbium-ion- en lithiumatomen bleek de zogenaamde s-golflimiet te bereiken, wat suggereert dat de kwantumtheorie kan helpen om de botsing beter te begrijpen.

Het onderzoeksteam vond bewijs dat wijst op het optreden van kwantumverschijnselen bij botsingen tussen het ion en de atomen. Deze nieuwe waarnemingen kunnen implicaties hebben voor toekomstig onderzoek, bijvoorbeeld, de weg vrijmaken voor diepgaand onderzoek van kortstondige atoom-ionconfiguraties die bekend staan ​​als magneto-moleculaire resonanties. In hun volgende studies, Gerritsma en zijn collega's zijn van plan een methode te gebruiken die vergelijkbaar is met die in hun recente onderzoek om te zoeken naar zogenaamde Feshbach-resonanties tussen atomen en ionen.

"In deze resonanties, het atoom en ion kunnen een molecuul vormen en ze kunnen worden gebruikt om de interactiesterkte tussen de atomen en ionen te vergroten, Dr. Gerritsma zei. "Feshbach-resonanties zijn waargenomen tussen neutrale atomen, en er is voorspeld dat ze ook tussen atomen en ionen zullen bestaan. Echter, ze zijn nooit waargenomen omdat de vereiste ultrakoude temperaturen tot nu toe niet waren bereikt."

© 2020 Wetenschap X Netwerk