Ионы, захваченные в ловушку, и облако холодных атомов
Steven J. Schowalter et al, / arXiv.org, 2016
Физики из Университета Калифорнии показали, что ионы, захваченные в электромагнитные ловушки, могут оставаться «горячими» даже внутри облака из ультрахолодных атомов. По расчетам авторов, попытка охладить несколько десятков ионов бария с помощью облака гелия-3, охлажденного до 0,17 кельвина, приведет к устойчивой температуре ионов в 10 кельвинов. Исследование опубликовано в журнале NatureCommunications (препринт), кратко о нем сообщает пресс-релиз университета.
Чтобы исследовать неравновесное поведение, физики поставили ряд экспериментов по охлаждению захваченных в оптические ловушки ионов бария. Для этого авторы помещали различные количества ионов (от одного до десяти) в облако атомов кальция с температурой четыре милликельвина. Затем, после нескольких секунд взаимодействия, кальций удаляли и измеряли температуру ионов. Ученые обнаружили, что в зависимости от исходной температуры ионов («холодной» или «горячей») существовало два устойчивых состояния, в которых оказывались атомы. Одно из них существенно превышало температуру охлаждающего газа.
Результаты эксперимента
Steven J. Schowalter et al, / arXiv.org, 2016
a — схема гибридной ловушки, удерживающей и атомы и ионы; b — графическое решение уравнения равенства скоростей охлаждения и нагрева атомов. c — изменение температуры ионов в зависимости от их числа (N), красные кривые для «горячих» ионов, синие — для «холодных»; d — теоретическая кривая с бифуркацией на две устойчивых температуры ионов.
Steven J. Schowalter et al, / arXiv.org, 2016
В случае малого количества ионов (например, один-два) скорости нагрева и охлаждения сравниваются при низких температурах. Если заряженных частиц много (больше 10-20), то нагрев оказывается очень интенсивным и устойчивая температура оказывается гораздо выше, чем температура окружающего газа.
На основании экспериментов и теоретических моделей физики оценили, до каких температур могут охлаждать бариевые ионы те или иные атомы. Оказалось, что случайно выбранный газ-охладитель, даже несмотря на очень низкую собственную температуру, может оказаться неэффективным в охлаждении. Так, гелий-4 с температурой четыре кельвина оказывается близок по своим свойствам в роли охладителя изотопу гелия-3, охлажденному до 0,17 кельвина.
***************