Новости науки 10.05.01 Накопительное кольцо для нейтральных молекул

Накопительные кольца — стандартный метод удержания ионов и заряженных элементарных частиц. Оказывается, этот метод может быть с успехом использован и при манипулировании нейтральными частицами, в частности, молекулами.

Технология "отлова" и охлаждения нейтральных атомов оптическими и магнито-оптическими методами стремительно развивалась на протяжение последних нескольких лет, что привело к наблюдению целого ряда важных физических явлений. Казалось бы, аналогичные методы должны работать и для поимки и манипулирования нейтральными молекулами. Однако из-за намного более сложной структуры энергетических уровней молекул управление ими с помощью света оказалось значительно более трудной задачей.

Это заставило исследователей искать иные способы воздействия на нейтральные частицы. Хранение и управление нейтральными частицами в переменных электрических и магнитных полях явилось одной из таких возможностей.

Идея эта, конечно же, не нова. В частности, технология удержания и ускорения нейтронов магнитными полями насчитывает уже десятки лет. Однако проблема удержания, ускорения и замедления нейтральных дипольных молекул стала рассматриваться лишь недавно. Например, лишь в течение последних лет появилось сообщение об экспериментально достигнутом эффективном замедлении нейтральных молекул переменным электрическим полем [H.L.Bethlem et al., Phys.Rev.Lett. 83, 1558 (1999)] с последующим захватом молекул электростатической ловушкой [H.L.Bethlem et al., Nature 406, 491 (2000)].

В свежей работе этой же исследовательской группы [H.L.Bethlem et al., Nature 411, 174 (2001)] сообщается о том, что импульсный пучок нейтральных молекул инжектировался в накопительное кольцо и удерживался там достаточно долгое время (по крайней мере, в течение 6 периодов оборота).

Схема эксперимента по удержанию молекулярного пучка в накопительном кольце

Схема эксперимента показана на Рисунке. Молекулярный импульсный пучок ND₃ выходил из инжектора, проходил через штарковский замедлитель и по касательной подавался в накопительное кольцо. Тороидальное вакуумное накопительное кольцо содержало 6 кольцевых проводов со специально подобранными напряжениями, так что электрическое поле в пространстве между ними оказывало на нейтральные молекулы необходимую центростремительную силу и заставляло их вращаться по круговым орбитам. Поскольку силы, оказываемые электрическим полем на дипольные нейтральные молекулы, довольно малы, достигнутые в эксперименте поля в 10 кВ/см все же были недостаточны для удержания на орбите молекул со скоростями порядка 275 м/с, получаемых непосредственно из инжектора. Надежное удержание происходило для молекул со скоростями от 76 м/с до 110 м/с; именно для "гашения" скоростей молекул до этих значений и использовался штарковский замедлитель.

Контроль за свойствами и эволюцией молекулярного пучка в накопительном кольце осуществлялся с помощью лазерной ионизации небольшой доли пучка и последующим детектированием ионов. Было обнаружено, что разброс скоростей молекул в каждом сгустке составлял 4-5 м/с, что отвечает температуре около 10 мК. Кроме того, при оптимальной скорости пучка каждый сгусток "живет" в накопительном кольце по крайней мере в течение 6 оборотов вокруг кольца.

В целом, работа демонстрирует все методики, необходимые для полноценного удержания, манипулирования и мониторинга импульсных пучков нейтральных дипольных молекул. Ожидается, что в рамках этой схемы окажется возможным удерживать сразу несколько типов молекул одновременно, в том числе и для вращающихся навстречу друг к другу пучков. Это позволит изучать молекулярную спектроскопию с высоким разрешением, динамику столкновения холодных молекулярных пучков, коллективные квантовые эффекты.

перейти к началу страницы