Neutrala atomer och laddade joner kan kylas ner till extremt låga temperaturer (dvs. till mikrokelvin, 1 miljonedel av en grad över absolut noll) med lasertekniker. Vid dessa låga temperaturer, partiklarna har ofta befunnits bete sig i enlighet med kvantmekanikens lagar.

Forskare har genomfört laserkylningsexperiment på atomer och joner i decennier nu. Än så länge, dock, ingen studie hade observerat blandningar av både atomer och joner vid extremt låga temperaturer.

Forskare vid universitetet i Amsterdam var de första som uppnådde detta genom att placera en jon inuti ett moln av litiumatomer som förkyldes till några miljondelar av en kelvin. Deras observationer, publicerad i Naturfysik , avslöjade många effekter som kan ha intressanta konsekvenser för utvecklingen av ny kvantteknik.

"Kalla atomer och joner hittar tillämpningar i studier som syftar till att förstå fenomen i många kroppsfenomen och kan användas i atomur eller möjligen till och med kvantdatorer, "Dr Rene Gerritsma, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Än så länge, dock, ingen hade någonsin gjort en blandning av både atomer och joner vid dessa ultrakylda temperaturer. Målet bakom vår studie var att uppnå detta för första gången. "

I deras experiment, Gerritsma och hans kollegor började med att kyla en enda jon med hjälp av laserkylningstekniker. Separat, de förberedde också ett moln på cirka 10, 000 litiumatomer och kylde ner det till några mikrokelvin.

Senare, forskarna överlappade jonen med atommolnet och övervakade jonens energinivåer, med hjälp av en uppsättning verktyg som vanligtvis används för forskning om instängda jonkvantdatorer. Detta tillät dem slutligen att bestämma energin som uppstår vid kollisionen mellan jonen och atommolnet.

"Den största utmaningen i vårt experiment var att hålla jonen instängd i gasen, "Dr Gerritsma förklarade." För att uppnå detta, vi använder elektriska fält, men dessa har en negativ effekt på atom-jon-kollisionerna, orsakar uppvärmning. "

Några år sedan, medan man utför liknande experiment, en forskargrupp vid MIT förutspådde att de värmeeffekter som uppstår vid användning av elektriska fält skulle kunna dämpas med en mycket tung jon och en lätt atomart. Denna förutsägelse inspirerade slutligen Gerritsma och hans kollegor att genomföra sina experiment med hjälp av en ytterbiumjon och ett moln av litiumatomer.

"För första gången, vi har observerat att en jon i en neutral gas av atomer kyls till en regim där kvanteffekter blir viktiga, "Dr Gerritsma sa." Systemet kan användas för att studera kvantkemi på enstaka partikelnivå, eller kvantmångkroppsfysiken för interaktiva atomer och joner eller kanske till och med för att buffra gas, kyla den instängda jonkvantdatorn. "

Genom att mäta atomen och jonens kinetiska energi i alla rörelseriktningar, Gerritsma och hans kollegor kunde samla ett antal intressanta observationer. Till exempel, kollisionenergin mellan ytterbiumjonen och litiumatomerna befanns nå den så kallade s-våggränsen, vilket tyder på att kvantteori kan hjälpa till att bättre förstå kollisionen.

Forskargruppen fann bevis som pekar på förekomsten av kvantfenomen vid kollisioner mellan jonen och atomer. Dessa nya observationer kan få konsekvenser för framtida forskning, till exempel, som banar väg för fördjupade undersökningar av kortlivade atomjonkonfigurationer som kallas magneto-molekylära resonanser. I deras nästa studier, Gerritsma och hans kollegor planerar att använda en metod som liknar den som användes i deras senaste studie för att söka efter så kallade Feshbach-resonanser mellan atomer och joner.

"I dessa resonanser, atomen och jonen kan bilda en molekyl och de kan användas för att öka interaktionsstyrkan mellan atomer och joner, "Dr Gerritsma sa." Feshbach -resonanser har observerats mellan neutrala atomer, och de har också förutsetts existera mellan atomer och joner. Dock, de har aldrig observerats eftersom de erforderliga ultrakalla temperaturerna inte hade uppnåtts förrän nu. "

© 2020 Science X Network