Центр теоретической физики САФУ им. М.В. Ломоносова

Элементарные процессы с участием экзотических атомов

Использование интенсивных электромагнитных полей для управления экзотическими атомами и их компонентами

Ловушки и накопители экзотических атомов и их компонентов

Научно-популярные материалы для школьников и школьных учителей по новейшим направлениям физики и технологий

Представлены экспериментальные установки, теоретические и практические методы накопления и удержания экзотических атомов и их компонентов.

Разработка (без финансового обеспечения за счет средств Программы) в рамках работ по Соглашению от «21» сентября 2012 г. № 14.A18.21.1302по теме "Исследование процессов с экзотическими атомами и их компонентами в накопителях и ловушках с использованием интенсивных электромагнитных полей"

При проведении почти любых экспериментов с использованием пучков заряженных частиц принципиально важно уметь сжимать пучки, уменьшать их размеры и разброс импульсов (по величине и направлению) этих частиц, другими словами – уметь охлаждать потоки быстрых заряженных частиц, понижая их эффективную температуру. Это связано с тем, что для того, чтобы понять крайне сложное поведение процессов в виде взаимодействия нескольких составных частей, необходимо измерять свойства соответствующих составных частей и их взаимодействие отдельно, разделяя их. Для удержания частиц в определенной области пространства применяются различные электромагнитные ловушки [1].

Электромагнитные ловушки позволяют исследовать изолированные частицы, даже одиночные, в течение длительного интервала времени, дают возможность измерять их свойства с предельно высокой точностью. В частности, возможность наблюдать одиночные плененные частицы делает доступным качественно новые атомные измерения.

Электромагнитные ловушки – это единственное средство для удержания, замедления и хранения заряженных частиц в течение долгого времени, что является одной из главных проблем современной физики.

Для того, чтобы удержать заряженные или обладающие дипольным моментом частицы, необходимо создать такое поле, чтобы они были упруго связаны с осью либо точкой в пространстве, то есть на них должна действовать упругая возвращающая сила. Таким образом, частица должна находится в параболической потенциальной яме.

Для удержания заряженной плазмы применяются несколько видов ловушек. Возможность накопления небольшого количества холодных частиц в ловушке пеннинговского типа было реализовано Демелтом.

В 1978 году Демелт предложил метод аккумулирования небольшого числа позитронов непосредственно из радиоактивного источника, используя магнетронный дрейф частиц. Было показано, что позитроны  могут удерживаться в ловушке длительное время.[1]

Для запуска интерактивного моделирования ловушки Пеннинга, перейдите по данной ссылке.

Ловушка Пеннинга.

Ловушка Пеннинга — устройство, использующее однородное статическое магнитное поле и пространственно неоднородное электрическое поле для хранения заряженных частиц. В электромагнитной ловушке Пеннинга гиперболические электроды, находящиеся под постоянной разностью потенциалов, образуют электростатическое поле в форме аксиально-симметричного квадруполя. Статический электрический потенциал может быть создан с помощью системы из трёх электродов: кольца и двух крышек.

В идеале кольцо и крышки являются гиперболоидами вращения.[2]

Рис.1 Схематический вид электродов в ловушке Пеннинга.

Потенциал, создаваемый электродами

.

                                                                                    (1)

Для захвата положительных (отрицательных) частиц к крышкам прикладывается отрицательное (положительное) напряжение относительно кольца. Такой потенциал создаёт седловую точку в центре ловушки и ограничивает вертикальные колебания ионов. Электрическое поле заставляет частицы осциллировать (в случае идеальной ловушки Пеннинга — гармонически) вдоль вертикальной оси ловушки. Совместно с электрическим, магнитное поле заставляет частицы двигаться в горизонтальной плоскости. Траектория движения в горизонтальной плоскости будет довольно сложной – она будет складываться из двух вращений по окружностям разного радиуса, с разной частотой, при этом центр одной из окружностей будет двигаться вдоль другой окружности. Движение частицы с массой M и зарядомQ будет подчиняться следующим уравнениям в декартовых координатах:

                                                                                  (2)

(3)

, где                                                                                                                  (4)

                                                                                                   (5)

(6)

[2]

Очевидно, что  совпадает с циклотронной частотой,- частота гармонических колебаний частицы вдоль оси z. Вводя новую переменную u=x+iy можно описать движение в плоскости xOy с помощью уравнения:

(7)

Решение этого уравнения ищем в виде , где  - корни характеристического уравнения:

                                                                                        (8)

Откуда находим- модифицированная циклотронная частота                                                                                    (9)

- магнетронная частота                                         (10)

Решение уравнений движения приводит к следующим траекториям:

  ,

Новый рисунок

Рис.2 Траектория движения заряженных частиц в идеальной  ловушке Пеннинга.

Penningtrajec

Рис.3 Движение частицы в плоскости xOy (перпендикулярной направлению магнитного поля).

Как показывает решение уравнений движения, спектр заряженных частиц будет состоять из основных частот - ,и . Эти частоты могут быть измерены с помощью резонансного возбуждения дополнительным радиочастотным электрическим полем. Энергия этого поля будет передаваться частицам в ловушке. При совпадении частот собственных и вынужденных колебаний мощность, передаваемая от поля к заряженным частицам, будет максимальной, наступит резонанс. По мере приобретения дополнительной энергии частицы будет теряться, поскольку их энергии будет достаточно для преодоления потенциального барьера. Как ожидается, электростатическое поле внутри ловушки Пеннинга представляет собой суперпозицию нескольких мультиполей, поэтому многие комбинации основных частот и их гармоники становятся видимыми в спектре частиц в ловушке. Причем величина пиков (или провалов) в спектре будет зависеть от амплитуды переменного поля. 

Рис 4. Спектр электронов в ловушке Пеннинга.

В последние годы идет широкое распространение использования ловушки Пеннинга с ее адаптацией к различным приложениям. Они колеблются от замедления и уменьшения размеров пучков радиоизотопов элементарными частицами высокой энергии, их точного определения массы, до исследования времен ядерного распада и точного измерения гиромагнитного отношения. В каждом случае структура электродов должна сочетать в себе порой противоречивые аспекты, как например, чистая область квадруполя и одновременно с этим открытая структура электродов для совмещения с пучком частиц или лучом света. Таким образом, зачастую реальное описание ловушки и ее полей значительно более сложное, чем идеальное описание.Гиперболические поверхности обязательно усечены, и ошибки в строительстве и выравниванииможет заставить электроды отклоняться от идеальной формы и оси ловушки, они могут быть наклонены относительно направления магнитного поля. Кроме того, для большого числа накопленных частиц будет становится существенным Кулоновское взаимодействие зарядов, в результате которого появится ограничение на концентрацию частиц, которые могут быть удержаны тем же самым магнитным полем[2]:

Этот тип ловушек часто используется при точных измерениях свойств ионов и стабильных субатомных частиц, обладающих электрическим зарядом. В недавнем прошлом подобная ловушка успешно использовалась при физической реализации квантового компьютера и квантовых вычислений. Ловушки Пеннинга также применялись при создании так называемого «квазиатома». В CERN их используют для хранения антипротонов и других заряженных античастиц.

Ловушка Пеннинга-Малмберга

Усилия по накоплению большого количества частицбыли предприняты Малмбергом. Они модифицировали геометрию ловушки Пеннинга для изучения цилиндрического облака электронов, достаточно холодного и плотного, чтобы сформировать плазму.  Малмберг продемонстрировал хорошие параметры удержания электронной плазмы. Этот результат лег в основу создания лабораторной  “однокомпонентной плазмы”. Превосходные свойства ловушки Пеннинга-Малмберга по удержанию  плазмы стали использовать для накопления позитронов.

Ловушка Пеннинга-Малмберга представляет собой сборку из цилиндрических электродов, изолированных друг от друга и помещенных в продольное магнитное поле. Такая ловушка обладает большими размерами электродов, тем самым способна удерживать большее число частиц. В ловушках такого типа продольное удержание плазмы осуществляется статическим электрическим полем, а радиальное – однородным статическим магнитным полем. В идеале частицы могут находиться в такой ловушке бесконечное время. В реальности из-за нарушения цилиндрической симметрии электрического и магнитного полей частицы могут диффундировать к стенкам ловушки.

Ловушка Сурко

Для эффективного накопления позитронов из радиоактивного источника ловушка Пеннинга-Малмберга была модифицирована Грейвсом и Сурко. В качестве механизма захвата использовались неупругие столкновения с молекулами  буферного газа напускаемого в ловушку. Ловушка Сурко состоит из сборки электродов, помещенных в цилиндрическую вакуумную камеру. На торцах камеры расположены вакуумные насосы. Камера помещена в соленоид, создающий продольное магнитное поле. При захвате частиц в ловушку происходят их столкновения с молекулами буферного газа, при котором частицы теряют часть энергии и уже не могут покинуть ловушку из-за потенциального барьера. Давление буферного газа подбирается таким образом, чтобы частицы, сталкивались с молекулами определенное количество раз, и теряли в среднем столько энергии, чтобы не уйти за пределы потенциальной ямы. При этом в молекулах буферного газа будут возбуждаться дополнительные вращательные и колебательные моды.

В области накопления давление буферного газа будет достаточно низким, для того чтобы накапливаемые частицы не терялись в результате взаимодействия с ним.

Рис 5. Давление буферного газа и напряжение на электродах ловушки (LEPTA, ОИЯИ, г.Дубна)

Ловушка Пауля.

Радиочастотная ловушка Пауля состоит из трех электродов -  кольца в форме гиперболоида вращения и двух колпаков с гиперболической поверхностью обладающей осевой симметрией. Для того чтобы ионы находились в устойчивом положении, постоянного поля недостаточно. Для стабилизации орбит требуется периодическое поле. Электрическое поле представляет собой совокупность двух полей – переменного (синусоидального) и постоянного [2]. Изменяя отношение амплитуды переменного поля к величине постоянного поля можно подбирать наклон рабочей характеристики и тем самым осуществлять удержание ионов с единственным значением массы. Фактически ловушка Пауля является незаменимым инструментом для масс-спектрометрии.

Применение ловушек

Такие электромагнитные ловушки используются в экспериментах ALPHA,ASACUSAи ATRAPв CERN. Эти эксперименты направлены на изучение антивещества. По современным представлениям, силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное взаимодействие, образующее атомы и молекулы), совершенно одинаковы как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества. Отличие антивещества от вещества возможно только за счет слабого взаимодействия. Однако наблюдаемая часть Вселенной состоит практически полностью из вещества, тогда как антивещества очень мало. Эта асимметрия Вселенной является одной из нерешенных задач современной физики. Первые девять атомов антивещества были получены в CERN в 1995, но они двигались почти со скоростью света - слишком быстро для исследований высокой точности. Следующий прорыв произошел в 2002, когда в  эксперименте ATHENAбыли получены миллионы медленных атомов антиводорода. Но потребовались еще девять лет для следующего шага - инжекция нескольких из них в ловушку.

В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в «ловушку» атомы антивещества. Для этого ученые охлаждали облако, содержащее около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 кельвинов и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40 кельвинов (минус 233,15 градуса Цельсия). Физики охлаждали антивещество в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе-Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 миллисекунды.

В июле 2011 сотрудники CERN объявили, что им удалось держать несколько сотен из них в течение 15 минут. Это прокладывает путь к сравнению точности энергетических уровней между водородом и антиводородом, используя достаточно точные лазерные измерения, а также измерять массу, магнитный момент и другие характеристики атома для проверки CPT-симметрии. Дальнейшие эксперименты по удержанию антивещества призваны показать наличие или отсутствие для антивещества эффекта антигравитации.

В Калифорнийском университете в Сан-Диего ловушка Пеннинга-Малмберга используется для удержания однозарядовой плазмы. В ловушке Пеннинга-Малмбергаоднозарядовая плазма может находиться в глобально тепловом равновесии, что позволяет проводить точные количественные измерения и проверку теории волн, явлений переноса и равновесия плазмы.

В PositronLabКалифорнийского университета изучается процесс формирования атомов позитрония, состоящего из позитрона и электрона. Целью эксперимента является получение достаточно плотного – конденсированного состояния (конденсат Бозе-Эйнштейна) вещества из атомов позитрония, которое может быть использовано как лазер гамма-излучения при аннигиляции электрона и позитрона.

В Центре исследований взаимодействий вещества-антивещества (CAMS) проводятся исследования взаимодействия позитронов (антиэлектронов) с обычными атомами и молекулами. Такое взаимодействие может быть описано с точки зрения уравнений квантовой механики, однако решить эти уравнение и смоделировать поведение вещества довольно сложно.

Позитроны и позитроний в настоящее время используются в исследовании фундаментальных эффектов в пределах от физики конденсированного вещества к астрофизике так же как в диагностике живущих биологических систем и электронных и структурных свойств в промышленном отношении важных материалов. Однако главные исследовательские интересы находятся в области атомной физики. Позитроний может ионизировать атом, перевести его в возбужденное состояние или же просто рассеяться. В этих экспериментах применяются электромагнитные ловушки Пеннинг-Малмберга.

Охлаждение частиц

Глубина потенциальной ямы в ловушке имеет величину порядка нескольких вольт. Соответственно такую же величину составляют допустимые значения кинетической энергии захваченных ионов, а амплитуда колебаний может быть порядка размеров ловушки. Но для многих приложений требуются частицы со значительно более низким значением энергии, хорошо сконцентрированные в центре ловушки. Особенно для точных спектроскопических измерений желательно иметь предельно низкие скорости, чтобы избавиться от эффекта Допплера и возможного эффекта Штарка, вызываемого электрическим полем. Это приводит к необходимости охлаждать заряженные частицы. Относительно грубым методом охлаждения  является использование холодного буферного газа или демпфирование колебаний с помощью внешней электрической цепи. Наиболее эффективным является метод возбуждения флуоресценции с помощью лазерного излучения на боковой частоте. Суть этого метода состоит в том, что ион может поглотить фотон строго определенной частоты, энергия которого равна разнице между двумя энергетическими уровнями электрона в ионе. После поглощения фотона, электрон возбуждается, попадает на вышележащий уровень, а спустя какое-то время возвращается назад, испустив фотон. Демельт применил следующую хитрость:он слегка уменьшил частоту фотона по сравнению с резонансной, ровно настолько, чтобы дополнительную энергию придали сами колебания иона. При последующем снятии возбуждения эта дополнительная энергия улетит вместе с излучаемым фотоном — ион охладится. Так можно охладить его до минимально возможной частоты колебаний, которая задана параметрами ловушки.Допплеровское охлаждение снижает температуру до сотых долей кельвина. Дойти до тысячных долей дает возможность субдопплеровское охлаждение:лазерный луч создает стоячую волну, последовательность энергетических холмов и ям. Поднимаясь по склону холма, атом или ион теряет энергию, а взобравшись на его вершину, может испустить фотон, с тем, чтобы снова ее не набрать при последующем спуске в яму. До десятков нанокельвинов помогает охладить систему испарение наиболее энергичных ионов. Свой вклад в понижение температуры вносит и охлаждение боковой полосы. Весь процесс занимает считанные доли секунды. Такой процесс был проведен при реализации квантовых компьютеров, за который авторы этой работы SergeHaroche иDavid J. Wineland были удостоены Нобелевской премией 2012г.[3]

Список литературы:

1.     В.Пауль. УФН, т.60, вып.12, 1990

2.     F. Major, V. Gheorghe,G.Werth, Charged particle traps, 2005

3.     http://elementy.ru/news/431910

4.      Магнитная ловушка http://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитная_ловушка

5.      Ловушка Пеннингаhttp://ru.wikipedia.org/wiki/Ловушка_Пеннинга