Výzkumníkům z Technické univerzity v Darmstadtu a z Helmholtzova centra pro výzkum těžkých iontů GSI se jako prvním na světě podařilo zpomalit vysoce nabité ionty z urychlovače GSI na nízké energie, uvěznit je v takzvané Penningově pasti a poté je ochladit pomocí elektronů. Experiment proběhl na zařízení HITRAP a jeho výsledky byly publikovány v odborném časopise Physical Review X. Tým vedený Simonem Rauschem tak poprvé prokázal celou cestu iontů od urychlovače až po jejich uskladnění v pasti, což otevírá dveře k vysoce přesným experimentům s těžkými nabitými ionty.
- Vědci poprvé zpomalili a v pasti uvěznili plně ionizované atomy argonu z urychlovače GSI.
- Kinetickou energii iontů bylo nutné snížit zhruba 10 000krát.
- Poprvé bylo v Penningově pasti pozorováno elektronové chlazení vysoce nabitých iontů.
Proč fyzici potřebují ionty zbavené elektronů zpomalit
Vysoce nabité ionty vznikají obvykle při vysokých energiích a pohybují se velkou rychlostí. Řada experimentů v atomové, jaderné a fundamentální fyzice ovšem vyžaduje, aby byly tyto ionty výrazně zpomaleny, zachyceny a ochlazeny. Právě pro tento účel bylo v GSI vyvinuto zařízení HITRAP, jež má poskytnout jedinečné možnosti pro pokusy s pomalými vysoce nabitými ionty.
Penningova past je zařízení, které dokáže elektricky nabité částice udržet na jednom místě pomocí kombinace elektrického a magnetického pole. Umožňuje tak s ionty pracovat po delší dobu a měřit jejich vlastnosti s vysokou přesností.
Od rychlosti blízké světlu k uvěznění v pasti
V experimentu použili vědci ve spolupráci s divizí deceleratoru GSI ionty argonu, z nichž byly strženy všechny elektrony, takže zůstala jen holá atomová jádra. „Vznik probíhal přibližně při 30 procentech rychlosti světla a předtím, než jsme mohli ionty uvěznit, jsme nejprve museli jejich kinetickou energii snížit zhruba 10 000krát,“ popisuje hlavní autor publikace Simon Rausch, který získal doktorát ve výzkumné skupině profesora Wilfrieda Nörtershäusera na katedře fyziky TU Darmstadt.
Zpomalení se podařilo dosáhnout v deceleratorové struktuře zařízení HITRAP. Ionty pak byly po dobu několika sekund uchovány v takzvané chladicí pasti HITRAP.
„Poprvé se tak podařilo demonstrovat celou cestu vysoce nabitých iontů vyprodukovaných v urychlovači, až po jejich uskladnění v Penningově pasti,“ říká Rausch.
Chlazení otevírá cestu k přesným měřením
Vědci navíc poprvé pozorovali elektronové chlazení vysoce nabitých iontů v Penningově pasti. Tato technika snižuje kinetickou energii iontů a představuje klíčový předpoklad pro budoucí experimenty s vysokou přesností.
To v praxi znamená, že klidnější a chladnější ionty lze měřit mnohem přesněji než rychle letící částice. Pro fyziky to představuje základní krok, bez něhož by celá řada plánovaných pokusů nebyla proveditelná.
Co bude následovat na platformě HITRAP
Nově publikované výsledky podle autorů zakládají technologické základy pro širokou škálu experimentů na zařízení HITRAP. Jejich význam se ukázal už při prvním uživatelském experimentu, při němž byly pomalé vysoce nabité ionty zlata využity pro studie v oblasti materiálových věd.
Popsané milníky mají posloužit jako základ jedinečné výzkumné platformy pro přesná měření s těžkými vysoce nabitými ionty. Pro širší vědeckou komunitu to znamená, že v Darmstadtu vzniká pracoviště, jež může přitáhnout experimenty z atomové i jaderné fyziky napříč obory.
Jaké využití podobných experimentů s uvězněnými ionty vás nejvíce zajímá — základní výzkum, nebo praktické aplikace v materiálových vědách? Podělte se o svůj názor v diskusi.
