Эксперименты с холодным пучком проводятся в лабораториях по всему миру, чтобы наблюдать, как атомы и молекулы ведут себя квантово — как, например, волны, которые интерферируют друг с другом. Сложение лучей, как это делают Наревичюс и его группа в своей лаборатории, создает новые интересные химические реакции.Наревичюс объясняет, что необходимое для таких экспериментов экстремальное охлаждение — близкое к абсолютному нулю — достигается путем распыления газа из атомов или молекул через маленькое сопло в вакуумную камеру, от высокого давления до почти нулевого. Атомы в эксперименте разошлись, образуя очень холодное облако атомов, которые движутся очень быстро.
Скиммеры используются для направления некоторых из этих атомов в пучок. «Можно подумать, — говорит Наревичюс, — что если газ в баллоне находится под более высоким давлением и, таким образом, одновременно высвобождает больше атомов в вакуумную камеру, полученный пучок будет иметь более высокую плотность. Но это не так. . Выше определенного давления плотность выравнивается.
Исследователи не знают, как преодолеть этот предел, что делает многие интересные эксперименты недоступными ».«Это была прекрасная проблема для моего ученика Яира Сегева», — добавляет Наревичюс. Сегев пришел в Институт Вейцмана с опытом работы в области аэрокосмических технологий и физики. Начав с алгоритма, используемого аэрокосмическими инженерами для моделирования потоков высоко в атмосфере, он создал моделирование потока частиц в скиммерах. Это моделирование показало наличие ударных волн внутри конусов скиммера, которые блокировали последующий поток частиц в пучке.
Это явление возникает в результате взаимодействия между частицами луча и конусом: частицы отскакивают от скиммера на высоких скоростях, сталкиваются и нарушают поток луча. Высокие скорости отражения являются результатом «горячей» (то есть комнатной температуры) поверхности скиммера, поэтому Сегев попытался провести моделирование с охлаждаемыми скиммерами. Результаты показали значительное уменьшение ударных волн, а также более плотные лучи позади них.Затем команда провела эксперименты с различными молекулярными пучками, охлаждая их скиммеры до все более низких температур.
Проведение тестов с неоном и другими видами флуоресцирующей плазмы позволило им четко наблюдать красочные результаты. Исследователи обнаружили, что форма ударных волн была значительно изменена, и плотность лучей действительно выросла с охлаждением скиммера, достигая пика, когда температура была ниже нескольких десятков градусов выше абсолютного нуля — достаточно холодного, чтобы заморозить атомы до кончика конуса. и, таким образом, позволить остальному стеканию течь, «не чувствуя никакого беспокойства со стороны скиммера», — говорит Наревичюс.
«Ударные волны внутри и вокруг скиммеров оказываются похожими на те, которые испытывает космический корабль, когда он пересекает границу между космическим вакуумом и верхними слоями атмосферы», — говорит Сегев. «В обоих случаях подавление тепла, передаваемого между поверхностью и газом, может радикально изменить форму потока. В космическом корабле мы хотим, чтобы атмосфера не нагревала оболочку, в то время как в наших экспериментах мы хотим предотвратить нагрев флотатора. наши холодные лучи ".