Охлаждение смешиванием произвели без смешивания

Физики продемонстрировали симпатическое охлаждение одиночного протона с помощью лазерно-охлажденных ионов бериллия, удаленных от него на расстояние девяти сантиметров. Для этого они связали ловушку, в которой находился протон, и ионную ловушку с помощью сверхпроводящего колебательного контура. Таким способом они смогли охладить протон на 85 процентов относительно температуры окружения. Исследование опубликовано в Nature.

Охлаждение атомных и молекулярных систем играет важнейшую роль в современной физике. Чем меньше будет температура объектов, тем точнее можно измерять их свойства, а также тем стабильнее будут экзотические состояния, которые могут существовать только в ультрахолодных условиях.

Среди множества методов охлаждения одним из самых удобных и эффективных оказалось лазерное охлаждение. Однако, оно применимо не ко всем объектам. В частности, с его помощью невозможно охладить частицы без электронной структуры, например, (анти)протоны или голые атомные ядра. В таком случае иногда применяют технику симпатического охлаждения, которая заключается в подмешивании лазерно-охлаждаемых частиц к частицам, с которыми этот метод не работает, внутри оптических или магнитных ловушек. Но даже в этом случае остается проблема того, что слишком разным частицам нужны разные ловушки. 

Группа физиков из Германии и Японии совместно с коллаборацией BASE из ЦЕРНа решила эту проблему, связав лазерно-охлаждаемые ионы бериллия с одиночным протоном с помощью мнимых токов в LC-контуре. Идея метода, высказанная еще 30 лет назад, заключается в том, что любой электрический заряд, расположенный вблизи проводящей среды, индуцирует в ней заряды противоположного знака со сложным поверхностным распределением. Однако при рассмотрении такой задачи их можно заменить мнимым зарядом, расположенным зеркально реальному заряду. Смешивая мнимые токи в контуре, физики смогли организовать охлаждение протона на расстоянии девяти сантиметров от ионов бериллия.

Для того чтобы реализовать эту схему, физики помещали 15 ионов Be⁺ и один протон в свои собственные ловушки Пеннинга. Вдоль обеих ловушек они располагали сверхпроводящий колебательный контур с высокой добротностью (Q ~ 15000). Считывая напряжение на контуре, они строили спектр шума. Температура частиц в каждой из ловушек соответствовала частоте колебаний их осевой моды, которая проявлялась через провалы в шумовом спектре.

Авторы убедились в наличии связи между частицами, возбуждая ионы бериллия и отслеживая характеристики провалов. Они исследовали процесс передачи энергии для различных режимов, и, в частности, обнаружили, что, если обе ловушки настроены на резонанс в контуре, то термодинамическое равновесие наступает в пределах нескольких секунд. Вне резонанса же этот процесс занимает минуты.

Физики подробно изучили влияние различных параметров системы на эффективность охлаждения протона. Они выяснили, что минимальная температура протона достигается не за счет минимальной температуры ионов, а за счет их максимальной связи с контуром. В частности, они смогли достичь температуры, равной 2,6±2,5 кельвин, что оказалось ниже температуры окружающей среды на 14,4±0,7 кельвин.

В заключении авторы отмечают, что проделанный ими эксперимент можно повторить для антипротонов, что поможет точнее определить их отношение заряда к массе и g-фактор, а также для многозарядных и молекулярных ионов.

Физики регулярно пытаются охлаждать материю или антиматерию до все более низких температур. Мы уже писали, как они охладили антиводород с помощью лазера и измерили отношение масс протона и электрона в холодном молекулярном водороде.

Марат Хамадеев