Gekühlt und gefangen: Atomare Kühlbox für Rubidium-Ionen

Die Speicherung und Kühlung von Atomen und Ionen knapp über dem absoluten Nullpunkt gehört zu den wichtigsten in den letzten Jahren entwickelten Methoden der Atomphysik. Wissenschaftler aus Bangalore und Mainz haben nun in einem Experiment gezeigt, dass gefangene Ionen auch durch den Kontakt mit kalten Atomen gekühlt und dadurch für längere Zeit stabil in sogenannten Ionenfallen gespeichert werden können.

Dieser Befund widerspricht zunächst den Erwartungen, wonach sich die Ionen durch Stöße mit den Atomen erwärmen müssten. Die Ergebnisse der indisch-deutschen Forschungskooperation eröffnen die Möglichkeit für künftige chemische Experimente zur Bildung von Molekülionen bei tiefen Temperaturen, wie sie etwa im interstellaren Raum vorliegen.

Wissenschaftler vom Raman Research Institute im indischen Bangalore und dem Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben für ihr Experiment zwei Techniken kombiniert: die Speicherung von neutralen Atomen in einer magneto-optischen Falle und ihre Kühlung durch Laserlicht bis kurz vor dem absoluten Nullpunkt – er liegt bei minus 273,15°C – sowie die Speicherung von geladenen Teilchen in einer Ionenfalle. Zu diesem Zweck hat Prof. Dr. Günter Werth eine Paul-Falle, wie sie in Mainz verwendet wird, in Indien in Betrieb genommen, wo sie mit einer magneto-optischen Falle kombiniert wurde. Damit konnten gleichzeitig Ionen und kalte Atome an ein und demselben Ort gefangen werden, um ihre Entwicklung zu beobachten.

„Die Frage war, ob das überhaupt funktionieren würde“, erläutert Werth. Das Experiment mit Rubidium-Ionen und Rubidium-Atomen hat dann gezeigt, dass die Teilchen tatsächlich Energie austauschen. Die Ionen werden bei einem Zusammenstoß mit den kalten Atomen effektiv gekühlt. Wie die Wissenschaftler in einer Veröffentlichung in Nature Communications schreiben, sind dafür zwei Aspekte maßgebend: Die kontinuierliche Kühlung der Atome zieht indirekt Energie von den gefangenen Ionen ab. Darüber hinaus können beim Zusammenstoß zwischen Ionen und Atomen beide ihre Ladungen austauschen und aus einem heißen wird dann ein kaltes Ion. Durch die konstante Anzahl der Atome in dem Reservoir der magneto-optischen Falle ist genügend Kapazität vorhanden, um auch eine größere Anzahl von Ionen zu kühlen, ohne dass das Reservoir an Atomen umgehend geleert wird.

Die Wechselwirkung zwischen Ionen und Atomen ist für die Physiker von besonderem Interesse, weil vergleichbare Interaktionen vielleicht im ebenso kalten Weltraum ablaufen. „Man erwartet von einem Zusammenstoß von Ionen und Atomen bei sehr niedrigen Temperaturen, dass sich Molekülionen bilden. Das ist ein Prozess, der sich vermutlich auch im interstellaren Raum abspielt“, so Werth.

Veröffentlichung:
K. Ravi, Seunghyun Lee, Arijit Sharma, G. Werth & S.A. Rangwala
Cooling and stabilization by collisions in a mixed ion–atom system
Nature Communications, 9. Oktober 2012
DOI: 10.1038/ncomms2131

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Günter Werth
Experimentelle Teilchen- und Astroteilchenphysik (ETAP)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
D 55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-22883
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