Американським фізикам вдалося отримати атоми літію температурою у 10 мілікельвінів, охолодивши їх у струмені гелієвого газу та спіймавши у магнітну пастку. За ефективністю їхній метод виявився не гіршим за лазерне охолодження, однак може використовуватися з більшою кількістю видів атомів та розширити сферу використання холодних атомних пучків. Робота опублікована у журналі Physical Review A.
Схема експерименту вчених. W. Huntington et al. / Physical Review A, 2023
Навіщо фізикам холодні атоми?
Із атомами, іонами і молекулами фізикам-експериментаторам набагато простіше працювати в охолодженому стані. Охолодження до температур, менших за один кельвін, мінімізує кінетичну енергію частинок, завдяки чому вони стають більш контрольованими. Так їх можна заточувати у пастки, використовувати для високоточних вимірювальних експериментів, наприклад, атомної інтерферометрії, а також вивчати з їхньою допомогою квантові явища та екзотичні форми матерії.
У своєму новому експерименті фізики Техаського університету в Остіні запропонували новий спосіб отримання безперервних пучків охолоджених атомів.
Як охолоджують атоми?
Найвикористовуванішим способом охолоджувати атоми є лазерне охолодження, що покладається на поглинанні атомами світла. Правильно обрана частота, що буде нижчою за резонансний перехід в атомі, змусить частинку витрачати свою кінетичну енергію, уповільнюватися та зрештою — охолоджуватися. Втім, попри успіхи методу, він підходить не для всіх атомів, а також накладає обмеження і на деякі експерименти з частинками.
Хмара з атомів натрію, що охолоджуються лазерами у вакуумній камері. H. Mark Helfer / NIST
Ще одним способом отримання холодних пучків атомів та молекул є використання буферного газу. Метод охолодження буферним газом працює шляхом розсіювання енергії частинок, що цікавлять, за допомогою пружних зіткнень з холодними атомами інертного газу, як наприклад, гелій або неон. Оскільки цей механізм охолодження не залежить від внутрішньої структури частинок (на відміну від лазерного охолодження), охолодження буферним газом можна застосувати практично до будь-якого атома або малої молекули.
Температура променя отриманих атомів зазвичай знаходиться в діапазоні від одного до кількох кельвінів. Нижчих температур можна досягти за допомогою надзвукових струменів інертних газів, з яким частинки охолоджуються за рахунок адіабатичного розширення газу-носія.
У своїй роботі вчені вирішили поєднати переваги обох способів та створили пучок атомів літію-7, що охолонули до 10 мілікельвінів у камері з гелієм, який охолоджували розширенням, випускаючи надзвуковим струменем.
Що зробили вчені?
В експерименті дослідників газоподібний гелій-4 подається на надзвуковій швидкості у невелику циліндричну комірку, де охолоджується до температури в 4,4 кельвіна. У струмінь гелію направляється пучок літію, частина атомів якого захоплюється потоком гелію та за рахунок зіткнень з ним охолоджується. Розширений струмінь газу перенаправляється в наступну вакуумну камеру, а атоми літію вловлюються магнітною гексапольною лінзою, яка фокусує їх, впливаючи на магнітний момент. Атоми гелію натомість не фокусуються магнітом і тому продовжують рухатися балістичними траєкторіями, поки не зіткнуться з поверхнею.
Так вчені можуть отримати максимальний потік атомів літію за мінімально можливої температури. Експериментатори зазначають, що покращена конструкція камери зможе збільшити потік вдесятеро, а сам підхід можна адаптувати і до інших атомів та молекул, що вчені планують перевірити в наступних роботах.
Раніше ми розповідали, як фізикам вперше вдалося пристосувати лазерне охолодження для антиматерії, а охолодження протона змішуванням змогли провести без змішування, що позбавило частинку необхідності взаємодіяти з іонами, що використовуються для його охолодження.