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レーザー冷却なしの冷たい原子のビーム

26.01.2023

アメリカの物理学者は、リチウム原子をヘリウムガス流で冷却し、磁気トラップに閉じ込めることで、10 ミリケルビンの温度のリチウム原子を取得することに成功しました。効率の点では、彼らの方法はレーザー冷却よりも悪くないことが判明しましたが、多数の種類の原子で使用でき、冷たい原子ビームの適用範囲を拡大できます。

実験物理学者が冷却状態で原子、イオン、分子を扱う方がはるかに簡単です。 XNUMX ケルビン未満の温度まで冷却すると、粒子の運動エネルギーが最小限に抑えられ、粒子がより制御しやすくなります。そのため、それらはトラップに研ぎ澄まされ、原子干渉法などの高精度測定実験に使用されるだけでなく、量子現象やエキゾチックな形態の物質の研究にも使用されます。

新しい実験で、テキサス大学オースティン校の物理学者は、冷却された原子の連続ビームを生成する新しい方法を提案しました。

原子を冷却するために最もよく使用される方法は、原子による光の吸収に依存するレーザー冷却です。原子の共鳴遷移よりも低い周波数を適切に選択すると、粒子はその運動エネルギーを浪費し、減速し、最終的に冷却します。ただし、この方法は成功したものの、すべての原子に適しているわけではなく、粒子を使用したいくつかの実験にも制限が課せられます。

原子と分子のコールドビームを取得する別の方法は、バッファーガスを使用することです。バッファガス冷却法は、ヘリウムやネオンなどの不活性ガスの冷たい原子との弾性衝突により、対象の粒子のエネルギーを散逸させることによって機能します。この冷却メカニズムは (レーザー冷却とは異なり) 粒子の内部構造に依存しないため、バッファーガス冷却はほとんどすべての原子または小分子に適用できます。

結果として得られる原子のビーム温度は、通常、XNUMX ～数ケルビンの範囲です。より低い温度は、不活性ガスの超音速ジェットを使用して達成できます。これにより、キャリアガスの断熱膨張によって粒子が冷却されます。

彼らの研究では、科学者は両方の方法の利点を組み合わせることを決定し、リチウム 7 原子のビームを作成しました。これは、ヘリウムで冷却された膨張を伴うチャンバー内で 10 ミリケルビンに冷却され、超音速ジェットを放出しました。

研究者らの実験では、ヘリウム 4 ガスが超音速で小さな円筒セルに供給され、そこで 4,4 ケルビンの温度に冷却されます。リチウムのビームがヘリウムの流れに向けられ、その原子の一部がヘリウムの流れによって捕捉され、ヘリウムの流れとの衝突により冷却されます。膨張したガスジェットは次の真空チャンバーに向け直され、リチウム原子は磁気六重極レンズによって捕捉され、磁気モーメントに影響を与えて焦点を合わせます。ヘリウム原子は磁石によって集束されないため、表面に衝突するまで弾道軌道を移動し続けます。

そのため、科学者は可能な限り低い温度でリチウム原子の最大の流れを得ることができます。実験者は、改善されたチャンバー設計により流束が XNUMX 倍に増加する可能性があり、アプローチ自体が他の原子や分子に適応できる可能性があることに注目しています。

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