Gli atomi neutri e gli ioni carichi possono essere raffreddati a temperature estremamente basse (cioè, ai microkelvin, 1 milionesimo di grado sopra lo zero assoluto) mediante tecniche laser. A queste basse temperature, si è spesso scoperto che le particelle si comportano secondo le leggi della meccanica quantistica.

I ricercatori stanno conducendo esperimenti di raffreddamento laser su atomi e ioni ormai da decenni. Finora, però, nessuno studio aveva osservato miscele di atomi e ioni a temperature estremamente basse.

I ricercatori dell'Università di Amsterdam sono stati i primi a raggiungere questo obiettivo inserendo uno ione all'interno di una nuvola di atomi di litio preraffreddati a pochi milionesimi di kelvin. Le loro osservazioni, pubblicato in Fisica della natura , ha svelato numerosi effetti che potrebbero avere implicazioni interessanti per lo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche.

"Gli atomi e gli ioni freddi trovano applicazioni in studi volti a comprendere i fenomeni quantistici a molti corpi e potrebbero essere utilizzati negli orologi atomici o forse anche nei computer quantistici, "Dottor René Gerritsma, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Finora, però, nessuno aveva mai creato una miscela di atomi e ioni a queste temperature ultrafredde. L'obiettivo alla base del nostro studio era raggiungere questo obiettivo per la prima volta".

Nei loro esperimenti, Gerritsma e i suoi colleghi hanno iniziato raffreddando un singolo ione utilizzando tecniche di raffreddamento laser. Separatamente, hanno anche preparato una nuvola di circa 10, 000 atomi di litio e l'ho raffreddato a pochi microkelvin.

Successivamente, i ricercatori hanno sovrapposto lo ione con la nuvola di atomi e hanno monitorato i livelli di energia dello ione, utilizzando una serie di strumenti tipicamente impiegati per la ricerca sui computer quantistici a ioni intrappolati. Questo alla fine ha permesso loro di determinare l'energia derivante dalla collisione tra lo ione e la nuvola di atomi.

"La sfida principale nel nostro esperimento è stata mantenere lo ione intrappolato nel gas, " ha spiegato il dottor Gerritsma. "Per raggiungere questo obiettivo, usiamo campi elettrici, ma questi hanno un effetto negativo sulle collisioni atomo-ione, provocando il riscaldamento."

Alcuni anni fa, mentre conduceva esperimenti simili, un gruppo di ricerca del MIT ha previsto che gli effetti di riscaldamento derivanti dall'uso di campi elettrici potrebbero essere mitigati utilizzando una specie di ioni molto pesanti e di atomi leggeri. Questa previsione alla fine ha ispirato Gerritsma e i suoi colleghi a condurre i loro esperimenti utilizzando uno ione itterbio e una nuvola di atomi di litio.

"Per la prima volta, abbiamo osservato che uno ione in un gas neutro di atomi si raffredda a un regime in cui gli effetti quantistici diventano importanti, " ha detto il dottor Gerritsma. "Il sistema può essere utilizzato per studiare la chimica quantistica a livello di singola particella, o la fisica quantistica a molti corpi di atomi e ioni interagenti o forse anche per raffreddare il gas tampone per raffreddare il computer quantistico di ioni intrappolati".

Misurando l'energia cinetica degli atomi e degli ioni in tutte le direzioni di movimento, Gerritsma ei suoi colleghi sono stati in grado di raccogliere una serie di osservazioni interessanti. Ad esempio, si è scoperto che l'energia di collisione tra lo ione itterbio e gli atomi di litio raggiunge il cosiddetto limite dell'onda s, il che suggerisce che la teoria quantistica può aiutare a comprendere meglio la collisione.

Il team di ricerca ha trovato prove che indicano il verificarsi di fenomeni quantistici nelle collisioni tra lo ione e gli atomi. Queste nuove osservazioni potrebbero avere implicazioni per la ricerca futura, ad esempio, aprendo la strada a indagini approfondite su configurazioni atomo-ione di breve durata note come risonanze magneto-molecolari. Nei loro studi successivi, Gerritsma e i suoi colleghi hanno in programma di utilizzare un metodo simile a quello impiegato nel loro recente studio per cercare le cosiddette risonanze di Feshbach tra atomi e ioni.

"In queste risonanze, l'atomo e lo ione possono formare una molecola e possono essere usati per aumentare la forza di interazione tra gli atomi e gli ioni, " Ha detto il dottor Gerritsma. "Sono state osservate risonanze di Feshbach tra atomi neutri, e si prevede che esistano anche tra atomi e ioni. Però, non sono mai stati osservati perché fino ad ora non erano state raggiunte le temperature ultrafredde richieste".

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