یک تکنیک جدید سردکننده با هدف سردکردن یون‌های منفی، که به‌طور معمول دربرابر روش‌های خنک‌کنندگی که با اتم‌ها و یون‌های مثبت کار می‌کنند، مقاومت می‌کنند، ارائه شده است.

شاید سردکردن اتم‌ها و یون‌ها تا نزدیک دمای صفر مطلق معمول به‌نظر برسد، اما با کمال تعجب سردکردن یون‌های باردار منفی حتی تا دمای اتاق هم مشکل است. اکنون محققان با دور کردن داغ‌ترین یون از بقیه یون‌ها، تکنیکی برای سردکردن آنها ارائه کرده‌‌اند. آنها برای هرچه‌بهترکردن این روش می‌توانند روشی برای تولید پادماده سرد ارائه کنند که محققان تمایل دارند برای آزمودن نظریه‌های جایگزین گرانش از آن استفاده کنند.

فیزیک‌دان‌ها بااستفاده‌از جعبه‌ابزاری متنوع از تکنیک‌های سردکردن، به‌طور معمول اتم‌ها و یون‌های باردار مثبت را تا دمای زیرِ یک‌درجه کلوین (دماهای «زیرِ کلوین») را گیر انداخته و سرد می‌کنند، جایی که می‌توان از آنها به‌عنوان دقیق‌ترین ساعت‌ها یا بیت‌های کوانتومی استفاده کرد. درمقابل، یون‌های باردار منفی یا آنیون‌ها نسبت به این روش‌های سردکردن محفوظ‌اند. محققان از روش‌های کمتر موثری مانند سردکردن الکترون –که در آن آنیون‌ها با پلاسمای الکترونی سرد برهم‌کنش می‌کنند- استفاده کرده‌اند، اما سردترین دمایی که به آن رسیده‌اند حدود ۴ درجه کلوین بوده‌است. روش‌هایی که در آنها آنیون‌ها به دماهای کمتر می‌رسند از واکنش‌های شیمیایی در فضا بهره می‌برند و آنیون‌های سردتر نیز می‌توانند پادپروتون‌ها را برای آزمایش‌های پادماده سرد کنند.

آلبر کلرباوئر از موسسه فیزیک هسته‌ایِ مکس‌پلانک در آلمان می‌گوید: مشکل اینجاست که آنیون‌ها کاملاً شکننده‌اند. یک یونِ منفی، اتمی با الکترون اضافه است که اتم به‌راحتی می‌تواند آن را ازدست دهد. درنتیجه بیشتر آنیون‌ها را نمی‌توان با جذب فوتون در شرایط برانگیخته پایداری قرار داد؛ درعوض،‌ فوتون‌ها به‌راحتی الکترون‌های اضافی را می‌شکنند. این شکنندگی باعث نامناسب‌بودن بیشتر آنیون‌ها برای سردکنددگی دوپلر می‌شود، یک روش سردکردن بسیار موثر که در آن اتم‌ها به‌طور مرتب توسط فوتون‌ها برانگیخته می‌شوند.

کلرباوئر و همکارانش برای پیش‌برد کار به سردکنندگی تبخیری روی آوردند، که فیزیک‌دان‌های اتمی مدت‌ها از آن استفاده می‌کرده‌اند. این روش با حذف داغ‌ترین ذرات از تله کار می‌کند، به‌این‌ترتیب گاز باقی‌مانده سردتر می‌شود. از روش‌های سنتی برای یون‌های منفی استفاده نشده است، زیرا آنها به طور معمول بسیار داغ شروع می‌کنند (حدود ۱۰۰۰۰ درجه کلوین) و در این فرایند یون‌های بسیار زیادی ازدست می‌دهند.

روش سردکردن تبخیریِ این گروه به‌کمک لیزر–که حدود ۳۰ سال پیش ارائه شده بود- بر شکنندگی آنیون‌ها تاکید دارد^۱. الکترون اضافی در آنیون به‌راحتی با لیزر گرفته می‌شود و وقتی این حذف‌شدن رخ داد، حال اتم خنثی می‌تواند از میدان الکتریکی‌ای که تشکیل‌دهنده‌ی تله است،‌ فرار کند. گروه باهدف گیراندازی یون‌های داغ، لیزر خود را بر فاصله‌های کوتاه از مرکز تله متمرکز کرد. فواصل دورازمرکز عمدتاً پُر از یون‌های پرانرژی است که می‌توانند به‌اندازه کافی از مرکز تله دور شوند. گروه روش خود را روی گازی از یون‌های اکسیژن باردار منفی آزمایش کرد. گاز، با شروع از دمای اولیه ۱۳۰۰۰ درجه کلوین، طی حدود ۱۰۰ ثانیه تا ۳۸۰۰ درجه کلوین خنک شد. در انتها بین ۱۰ تا ۳۰ درصد یون‌های اولیه باقی ماندند.

دمای نهایی همچنان داغ است، اما کلرباوئر می‌گوید که تکنیک جدید مسیر چندگانه‌ای را به‌سمت آنیون‌های با درجه زیرِ کلوین می‌گشاید. این طرح به یکی از چند آنیونی نیاز دارد که سطوح الکترونی چندگانه دارند و «لانتان» بهترین گزینه برای این کار است. گیراندازی یونی که گروه کلرباوئر استفاده می‌کرد نمی‌توانست یون‌های لانتان را دربر بگیرد، اما آنها تله خود را همین هدف بازطراحی کردند. آنها همچنین به‌دنبال راه‌هایی برای بهینه کردن تکنیک‌های سردکردن با لیزر دومی هستند که باعث بهبودی فرایند انتخاب حذف الکترون خواهد شد.

هدف این گروه، سردکردن یون‌های لانتان تا ۱۰۰ درجه کلوین است. محاسبات نشان داده که در این دما می‌توان از سردکنندگی دوپلر برای سردکردن بیشتر یون‌های لانتان تا دماهای میکروکلوین استفاده کرد^{۲ و ۳}. اگر این دو با هم ترکیب شوند، این گاز آنیونی زیرکلوینی می‌تواند ابری از پادپروتون‌ها را تا نزدیک صفر مطلق سرد کند. سپس ابر پادپروتونیِ سردِ حاصل می‌تواند با پوزیترون‌ها ترکیب شود و پادهیدروژن سرد بسازد که آزمایش‌هایی مانند AEgIS، برای بررسی این که آیا پادماده مانند ماده معمولی با همان نرخ به شتاب گرانش زمین پاسخ می‌دهد یا نه، به آن نیاز دارند.

وسلی والتر از دانشگاه دنیسون در اوهایو، که متخصص تحقیق درباره یون‌های باردار منفی است، می‌گوید: این پژوهش پیشرفت مهمی برای سردکردن لیزری گونه‌های باردار منفی است. مایکل چارلتون، ‌فیزیک‌دان اتمی از دانشگاه سوانزی در انگلستان، نیز این کار را به‌عنوان «اولین گام بسیار مهم» در پیش‌سردکنندگی آنیون‌ها به‌سوی هدف نهایی که تولید پادهیدروژن سرد برای تحقیقات گرانش است می‌داند و می‌گوید: با این‌که درجه سردکنندگی به‌دست‌آمده در این پژوهش نسبتاً کم است، اما اولین نما از تکنیکی است که گامی درجهت رسیدن به دماهای فوق‌سرد فراهم می‌کند.

منبع: Physical Review Letters

نویسنده:

Michael Schirber، ویراستار مطالب فیزیکی مرتبط در لیون، فرانسه.

مراجع:

1. A. Crubellier, “Theory of laser evaporative cooling of trapped negative ions. I. Harmonically bound ions and RF traps,” J. Phys. B 23, 3585 (1990).

2. C.  Walter, N.  Gibson, D.  Matyas, C. Crocker, K. Dungan, B. Matola, and J. Rohlén, “Candidate for laser cooling of a negative ion: Observations of bound-bound transitions in La−,” Phys. Rev. Lett. 113, 063001 (2014).

3. G. Cerchiari, A. Kellerbauer, M. Safronova, U.  Safronova, and P. Yzombard, “Ultracold anions for high-precision antihydrogen experiments,” Phys. Rev. Lett. 120, 133205 (2018).

اطلاعات بیشتر: