Transportprocesser är allmänt förekommande till sin natur, men ändå väcker många frågor. Forskargruppen kring Florian Meinert från Fifth Institute of Physics vid universitetet i Stuttgart har nu utvecklat en ny metod för att observera en enda laddad partikel på sin väg genom ett tätt moln av ultrakylda atomer. Resultaten publicerades i Fysiska granskningsbrev och rapporteras vidare i en synpunktskolumn i tidskriften Fysik .

Meinerts team använde ett Bose-Einstein-kondensat (BEC) för sina experiment. Detta exotiska tillstånd av materia består av ett tätt moln av ultrakalla atomer. Med hjälp av sofistikerad laserexcitering, forskarna skapade en enda Rydberg-atom i gasen. I denna gigantiska atom, elektronen är tusen gånger längre bort från kärnan än i grundtillståndet och därmed endast mycket svagt bunden till kärnan. Med en specialdesignad sekvens av elektriska fältpulser, forskarna ryckte bort elektronen från atomen. Den tidigare neutrala atomen förvandlades till en positivt laddad jon som förblev nästan i vila trots processen att lossa elektronen.

I nästa steg, forskarna använde exakta elektriska fält för att dra jonen på ett kontrollerat sätt genom det täta molnet av atomer i BEC. Jonen tog fart i det elektriska fältet, kolliderade på sin väg med andra atomer, saktade ner och accelererades igen av det elektriska fältet. Samspelet mellan acceleration och retardation vid kollisioner ledde till en konstant rörelse av jonen genom BEC.

"Det här nya tillvägagångssättet låter oss mäta rörligheten för en enskild jon i ett Bose-Einstein-kondensat för allra första gången, "säger Thomas Dieterle, en Ph.D. elev som deltog i experimentet. Forskarnas nästa mål är att observera kollisioner mellan en enda jon och atomer vid ännu lägre temperaturer, där kvantmekaniken istället för den klassiska mekaniken dikterar processerna. "I framtiden, vårt nyskapade modellsystem – transporten av en enda jon – kommer att möjliggöra en bättre förståelse av mer komplexa transportprocesser som är relevanta i många kroppssystem, t.ex., i vissa fasta ämnen eller i superledare, " säger Meinert. Dessa mätningar är också ett viktigt steg på vägen för att undersöka exotiska kvasipartiklar, så kallade polaroner, som kan uppstå genom interaktion mellan atomer och joner.

Grannlabbet vid institutet arbetar redan med ett jonmikroskop som gör det möjligt för forskare att direkt observera kollisioner mellan atomer och joner. Medan ett elektronmikroskop använder negativt laddade partiklar för att skapa en bild, detta är vad som händer i ett jonmikroskop med positivt laddade joner. Elektrostatiska linser avleder joner som liknar ljusstrålar i ett klassiskt optiskt mikroskop.