Transportprocessen zijn alomtegenwoordig, maar roept nog steeds veel vragen op. Het onderzoeksteam rond Florian Meinert van het Fifth Institute of Physics van de Universiteit van Stuttgart heeft nu een nieuwe methode ontwikkeld om een ​​enkel geladen deeltje te observeren op zijn pad door een dichte wolk van ultrakoude atomen. De resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven en worden verder gerapporteerd in een Viewpoint-kolom in het tijdschrift Natuurkunde .

Het team van Meinert gebruikte een Bose-Einstein-condensaat (BEC) voor hun experimenten. Deze exotische toestand van materie bestaat uit een dichte wolk van ultrakoude atomen. Door middel van geavanceerde laserexcitatie, de onderzoekers creëerden een enkel Rydberg-atoom in het gas. In dit gigantische atoom, het elektron is duizend keer verder van de kern verwijderd dan in de grondtoestand en dus slechts zeer zwak aan de kern gebonden. Met een speciaal ontworpen reeks elektrische veldpulsen, de onderzoekers grepen het elektron weg van het atoom. Het voorheen neutrale atoom veranderde in een positief geladen ion dat bijna in rust bleef ondanks het proces van het losmaken van het elektron.

In de volgende stap, de onderzoekers gebruikten precieze elektrische velden om het ion op een gecontroleerde manier door de dichte wolk van atomen in het BEC te trekken. Het ion nam snelheid in het elektrische veld, botste op zijn weg met andere atomen, vertraagd en werd weer versneld door het elektrische veld. Het samenspel tussen versnelling en vertraging door botsingen leidde tot een constante beweging van het ion door de BEC.

"Deze nieuwe benadering stelt ons in staat om voor de allereerste keer de mobiliteit van een enkel ion in een Bose-Einstein-condensaat te meten, " zegt Thomas Dieterle, een doctoraat leerling die meedeed aan het experiment. Het volgende doel van de onderzoekers is om botsingen tussen een enkel ion en atomen te observeren bij nog lagere temperaturen, waar kwantummechanica in plaats van klassieke mechanica de processen dicteert. "In de toekomst, ons nieuw gecreëerde modelsysteem - het transport van een enkel ion - zal zorgen voor een beter begrip van complexere transportprocessen die relevant zijn in systemen met veel lichamen, bijv. in bepaalde vaste stoffen of in supergeleiders, ", zegt Meinert. Deze metingen zijn ook een belangrijke stap op weg naar het onderzoeken van exotische quasi-deeltjes, zogenaamde polaronen, die kunnen ontstaan ​​door interactie tussen atomen en ionen.

Het naburige lab van het instituut werkt al aan een ionenmicroscoop waarmee onderzoekers botsingen tussen atomen en ionen direct kunnen waarnemen. Terwijl een elektronenmicroscoop negatief geladen deeltjes gebruikt om een ​​beeld te creëren, dit is wat er gebeurt in een ionenmicroscoop met positief geladen ionen. Elektrostatische lenzen buigen ionen af ​​die vergelijkbaar zijn met lichtstralen in een klassieke optische microscoop.