Der Versuchsaufbau. Bildnachweis: Narevicius et al. © 2008 APS.

Durch magnetisches Pulsen einer Folge von 64 Kupferspulen in einer "Atomspulenpistole" ist es Wissenschaftlern gelungen, einen Überschall-Neonstrahl in nur Mikrosekunden auf ihren Spuren anzuhalten.

Die Forscher der University of Texas in Austin und der Tel-Aviv University haben die Ergebnisse ihres Experiments in einer aktuellen Ausgabe der Physical Review Letters veröffentlicht .

In ihrer Studie zeigen die Wissenschaftler, wie das Ein- und Ausschalten hoher Magnetfelder beim Durchgang eines Atomstrahls durch die Spulen mehr als 98% der kinetischen Energie des Strahls abbauen kann. Mit ihrer Methode verringern sie die Geschwindigkeit eines atomaren Neonstrahls von 447 m / s auf 56 m / s.

"Wir haben den Strahl vollständig angehalten, aber um die Atome zum Detektor zu extrahieren, belassen wir eine kleine Restgeschwindigkeit von 56 m / s", sagte Mark Raizen, Physikprofessor an der Universität von Texas in Austin, gegenüber PhysOrg.com . „Wir wollen in Zukunft anhalten und die Atome einfangen. Wir können sie in einer stationären Falle festhalten und müssen sie dann mit mehreren zusätzlichen Stufen der Coilgun neu starten, um sie zu erkennen. “

Die Atomspule - mit ihren elektromagnetischen Kupferspulen - wirkt auf die magnetischen Momente der Neonatome im Strahl. (Grundsätzlich ist ein magnetisches Moment der interne Magnetismus des Atoms, der durch die Bewegungen seiner Elektronen verursacht wird.) Jedes Atom oder Molekül, das ein ungepaartes Elektron hat, kann durch die Atomspule verlangsamt werden.

"Die Atomspirale ist aufgrund ihrer universellen Beschaffenheit sehr ansprechend und arbeitet mit etwa 90% des Periodensystems und einigen Molekülen - Radikalen und Sauerstoff", sagte Raizen. „Abgesehen von der Laserkühlung, die nur für etwa 10% des Periodensystems funktioniert, gibt es wirklich keine andere gute Methode zur Verlangsamung von Atomstrahlen.“

In ihrem Aufbau erzeugten die Wissenschaftler einen kalten, schnellen Neonstrahl, der durch einen trichterförmigen "Skimmer" läuft. Der Skimmer lenkt den Atomstrahl in die Spulenpistole, die aus 64 14 mm voneinander beabstandeten Kupferspulenmagneten besteht. Nach dem Durchlaufen der magnetisch gepulsten Spulen breitet sich der Strahl auf einer Mikrokanalplatte aus, auf der die Wissenschaftler die Geschwindigkeit der Atome im Strahl messen können.

Der Schlüssel zur Spulenpistole ist die Möglichkeit, den Elektromagnetismus jeder Kupferspule einzeln zu steuern. Mithilfe von Simulationsdaten erstellten die Forscher eine Zeitfolge zum Ein- und Ausschalten des elektromagnetischen Felds jeder Spule.

„Ein wichtiges Merkmal ist seine Einfachheit, da Kupferdrahtspulen durch Entladen von Kondensatoren angetrieben werden“, sagte Raizen.

Wenn sich ein Atom in die Mitte einer Spule anstatt zwischen den Spulen bewegt, erfährt es ein stärkeres Magnetfeld und gewinnt potentielle Energie. Wenn das Feld der Spule ausgeschaltet wird, während sich das Atom im Zentrum befindet, verliert das Atom einen Großteil seiner kinetischen Energie. Der Verlust geschieht schnell: Wenn der Strom abgeschaltet wird, nimmt das 5-Tesla-Magnetfeld einer Spule in 6 Mikrosekunden um etwa 80% ab.

„Die Energiemenge, die pro Stufe abgeführt wird, entspricht der Höhe des Magnethügels“, erklärte Raizen und erklärte, dass die genaue Energiemenge von der Art des Atoms abhängt. "Wir entfernen 1/64 der kinetischen Energie des Atoms pro Stufe."

Wie die Forscher erklären, ist die zeitliche Abfolge der Spulen wichtig. Wird das Feld einer Spule abgeschaltet, wenn sich ein Atom in der Mitte der Spule befindet und nicht zwischen den Spulen, erfährt das Atom ein stärkeres Magnetfeld und wird stärker verlangsamt. Durch Ausschalten des Magnetismus, wenn sich Atome zwischen Spulen befinden, können jedoch mehr Atome verlangsamt werden.

Die Fähigkeit, einen Überschall-Atomstrahl dramatisch zu verlangsamen und anzuhalten, könnte es Forschern ermöglichen, atomare und molekulare Eigenschaften detailliert zu untersuchen. Die Gruppe arbeitet derzeit daran, atomare Wasserstoffisotope wie Tritium einzufangen und zu kühlen. Die Analyse von Tritium könnte es Forschern ermöglichen, den Beta-Zerfall präzise zu messen, wodurch wiederum die Neutrinorestmasse bestimmt werden könnte - eine der größten unbeantworteten Fragen der Physik.

Andere mögliche Anwendungen umfassen die Verwendung der Atomspirale, um verschiedene Arten von kalten Atomen einzufangen und neue Richtungen in der kalten Chemie zu eröffnen. Das Stoppen von Atomen wie Eisen und Nickel könnte die kontrollierte Abscheidung magnetischer Quantenpunkte ermöglichen und auch als Methode zur magnetischen Speicherung dienen.

Weitere Informationen: Narevicius, Edvardas; Libson, Adam; Parthey, Christian G .; Chavez, Isaac; Narevicius, Julia; Auch Uzi; und Raizen, Mark G. "Stoppen von Überschallstrahlen mit einer Reihe von gepulsten elektromagnetischen Spulen: eine atomare Coilgun." Physical Review Letters 100, 093003 (2008).

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