Μελέτη αλληλεπιδράσεων ιόντος-ατόμου σε υπερ-χαμηλές θερμοκρασίες με τη βοήθεια συμπυκνώματος Bose-Einstein

Οι ερευνητές συνήθως παγιδεύουν άτομα ή ιόντα σε υπερχαμηλές θερμοκρασίες για να ερευνήσουν εξωτικά κβαντικά φαινόμενα. Ωστόσο, τρέχοντα συστήματα για παγίδευση τόσο ιόντων όσο και ατόμων στο ίδιο πείραμα μπορούν να φθάσουν μόνο σε θερμοκρασίες στην περιοχή των χιλιοστών του Κέλβιν (millikelvin), ούτε κατά διάνοια αρκετά χαμηλά για να παρατηρήσουν πολλά κβαντικά φαινόμενα που αναδύονται από τις αλληλεπιδράσεις ιόντος-ατόμου. Η Kathrin Kleinbach στο Πανεπιστήμιο της Στουτγκάρδης, στη Γερμανία και οι συνεργάτες της έχουν επέδειξαν μια νέα προσέγγιση για τη μελέτη αλληλεπιδράσεων ενός ιόντος με ένα νέφος ατόμων σε θερμοκρασίες κάτω του 1 μK (ένα εκατομμυριοστό του Κέλβιν).

Η ιδέα των συγγραφέων ήταν να χρησιμοποιήσουν ένα ουδέτερο άτομο Rydberg – ένα άτομο του οποίου το εξώτατο ηλεκτρόνιο διεγέρθηκε σε ένα πολύ υψηλό [κύριο] κβαντικό αριθμό (n) – αντί για ένα συνηθισμένο ιόν. Οι ερευνητές παρασκεύασαν ένα σχήματος πούρου συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC) περίπου 65000 ατόμων ρουβιδίου και μετά διήγειραν το εξώτατο ηλεκτρόνιο ενός από αυτά τα άτομα σε μια κατάσταση με κβαντικό αριθμό μέχρι 190. Αυτό το διεγερμένο ηλεκτρόνιο περιφέρονταν με μια μέση ακτίνα περίπου 4 μm (εκατομμυριοστά του μέτρου), η οποία ήταν μεγαλύτερη από ότι ο κοντός άξονας του νέφους του BEC. Έτσι ο ιοντικός πυρήνας του ατόμου Rydberg δρούσε όπως ένα αντιδρόν ιόν με το BEC, ενώ το ηλεκτρόνιο Rydberg περιφέρονταν κυρίως εκτός του BEC. Επιπροσθέτως, το ηλεκτρόνιο Rydberg λειτουργούσε ως κλωβός Faraday που προστάτευε από εξωτερικά μη ελεγχόμενα ηλεκτρικά πεδία που θα μπορούσαν να προκαλέσουν παρεμβολές στα πειράματα.

Η ομάδα έδειξε ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ του ιοντικού πυρήνα και του BEC θα μπορούσε να ερευνηθεί με την παρακολούθηση του σχήματος των γραμμών απορρόφησης του ατόμου Rydberg. Ένα τέτοιο σύστημα θα μπορούσε να επιτρέψει τους ερευνητές να μελετήσουν κβαντικά φαινόμενα που συνδέοντα με συγκρούσεις, αλληλεπιδράσεις και χημικές αντιδράσεις μεταξύ ιόντων και ουδέτερων ατόμων.

Πηγή: American Physical Society

Περισσότερα στη δημοσίευση: Ionic Impurity in a Bose-Einstein Condensate at Submicrokelvin Temperatures. Physical Review Letters.