När man undersöker atomer, forskare står inför en utmaning:Vid rumstemperatur, enskilda atomer i en gas har rörelseenergi, och flyga runt med stora hastigheter. Temperaturen är, i huvudsak, den relativa rörelsen mellan atomer; Därför innebär målet att få atomerna att ha små relativa hastigheter att frysa dem till extremt kalla temperaturer. En grupp vid Weizmann Institute of Science har nu utvecklat en ny universell metod för kylning av joner.

Joner, atomer med elektriska laddningar, kyls idag i fällor med hjälp av elektriska och magnetiska fält och kyls sedan vidare med lasrar. Den nya metoden, utvecklad av personalvetare Dr. Oded Heber och Dr. Michael Rappaport, och postdoktorer Dr Reetesh Kumar Gangwar och Dr Koushik Saha, i laboratoriet för prof. Daniel Zajfman vid avdelningen för partikelfysik och astrofysik vid Weizmann Institute of Science, kräver inte lasrar.

Förr, Professor Zajfman och hans grupp hade skapat en förbättrad version av en jonfälla som kallas en elektrostatisk jonstrålefälla - en apparat för lagring av joner som var mycket mindre än vanliga jonlagringsringar, som tenderar att vara mycket stora och dyra. I en elektrostatisk fälla, joniska molekyler oscillerar när de flyger med hastigheter upp till 10, 000 km/h - och dessa svalnar internt i fällan. Sådana system kan i labbet återskapa den glesa materia som finns i interstellära rymden.

När grupper av joner pendlar i fällan vid dessa höga hastigheter, det finns en naturlig fördelning av frekvenser. I detta skede, forskarna har en metod där "variabel periodisk impulsspänning" appliceras för att skilja ut de kallaste jonerna i den fördelningen, accelererar bara dessa. Genom att fortsätta applicera spänningar, forskare kan så småningom hamna med de allra kallaste jonerna. "Denna process, säger Heber, "är inte så mycket kylning som att" filtrera "eller sortera joner efter de temperaturer de har nått."

I de senaste experimenten har dock, gruppen ställde in fällan så att densiteten hos jonerna i den elektrostatiska jonstrålefällan kan ökas 1, 000 gånger vid kanterna. Att öka densiteten ökar naturligtvis förekomsten av kollisioner mellan jonerna i strålen, och resultatet är att energi delas mellan jonerna. Forskarna upptäckte att det fanns en förbättrad korrelation mellan positionen för en jon i gruppen och dess kinetiska energinivå. De kallaste jonerna var i centrum. Verkligen, energin - eller temperaturen - överfördes till jonerna vid kanterna, producerar mer extremt kalla joner i det accelererade gänget. "Denna överraskande process, säger Heber, "klarar redan testet av äkta kylning."

I en tidning som nyligen publicerades i Fysiska granskningsbrev , gruppen beskriver en serie experiment där joner nådde temperaturer på ungefär en tiondel av graden över absolut noll. Forskarna genomför för närvarande ytterligare experiment för att finjustera systemet och få jontemperaturerna ännu lägre.

Heber säger att den nya metoden är betydelsefull eftersom kylprocessen inte beror på vare sig jonens typ eller vikt. Således kan den användas, till exempel, att undersöka egenskaperna hos stora biologiska molekyler eller nanopartiklar.