Gevangen ionen

Een ion is een atoom of molecuul met een overschot of tekort aan elektronen. Omdat ionen geladen deeltjes zijn kunnen ze ‘gevangen’ worden door elektromagnetische velden: het is makkelijk om ze op een vaste plaats te houden. Zulke gevangen ionen (trapped ions in het Engels) vormen een veelbelovend platform voor quantumrekenen – de basis van quantumcomputers. De reden is dat de ionen lange tijd opgeslagen kunnen worden, en dat natuurkundigen in staat zijn om met moderne lasers individuele ionen heel nauwkeurig te manipuleren. Deze eigenschappen maken gevangen ionen bovendien erg goede kandidaten voor het bestuderen van chemische reacties, met name wanneer ze worden ondergedompeld in een wolk van gewone atomen of moleculen.

In veel natuurkundige experimenten is het nuttig om deeltjes te bestuderen die extreem koud zijn – eenvoudigweg omdat koude deeltjes langzamer bewegen en minder trillen, waardoor er minder ‘ruis’ is die het experiment beïnvloedt. Tot nu toe kon men alleen relatief warme ion-molecuulbotsingen bestuderen bij temperaturen rond 1 kelvin (één graad boven het absolute temperatuurnulpunt), maar het hybride ion-atoomexperiment aan de Universiteit van Amsterdam gebruikt nu moleculen met een temperatuur van slechts een paar miljoensten van een kelvin, waarmee men de koudste ion-molecuulbotsingen ter wereld bestudeert.

Natuurkundigen onder leiding van Rene Gerritsma van het UvA-Institute of Physics en QuSoft, in samenwerking met Arghavan Safavi-Naini (UvA/QuSoft) en Jesus Pérez-Ríos (Universiteit van Stony Brook), namen een moleculair ion waar dat gemaakt werd in een chemische reactie waarbij lithium-moleculen (Li₂) en atomaire ytterbium-ionen (Yb⁺) veranderen in lithium-atomen (Li) en moleculaire lithium-ytterbium-ionen (LiYb⁺). Ze slaagden erin deze chemische reactie te gebruiken om zeer kleine hoeveelheden moleculen op te sporen. Hun resultaten werden deze week in het tijdschrift Physical Review Letters gepubliceerd.

Ultrakoude gassen

Naast hun vele andere toepassingen, zoals het gebruik in extreem nauwkeurige klokken en bij quantumsimulaties van veeldeeltjessystemen, kunnen ultrakoude gassen ook gebruikt worden om koude moleculen te maken. Dankzij een techniek die magnetische associatie heet, kunnen uit een ultrakoud gas zogeheten Feschbach-dimeren gemaakt worden – moleculen die net zo koud zijn als het gas waaruit hun bouwstenen voortkwamen. Door zulke moleculen te combineren met een enkel gevangen ion, zagen IoP-natuurkundigen Henrik Hirzler, Rianne Lous en Eleanor Trimby voor het eerst chemische ion-molecuulreacties waarbij ultrakoude moleculen betrokken waren.

De onderzoekers zagen dat botsingen tussen een enkel ion en een Feschbach-dimeer leidden tot de vorming van het hierboven genoemde moleculaire ion, waarbij een van de atomen van het molecuul vast blijft zitten aan het ion. Door naar de fluorescentie van het ion te kijken werd de vorming van het moleculaire ion zichtbaar. De fluorescentie verdween, een gevolg van het feit dat het moleculaire ion andere energieniveaus heeft dan het atomaire ion. De aanwezigheid van het moleculaire ion werd ook bevestigd door de frequentie te meten waarmee het in de ionenval resoneerde – een frequentie die voor de zwaardere moleculaire deeltjes anders is. Vervolgmetingen lieten zien dat zelfs iedere ion-molecuulbotsing leidt tot de vorming van een moleculair ion.

Een nuttige reactie

De onderzoeksgroep kwam er zo achter dat hun methodes enorm gevoelig waren: ze konden de reactie Li₂ + Yb⁺ → LiYb⁺ + Li gebruiken om slechts 50 moleculen te detecteren in een wolk van 20.000 atomen. Bij dergelijke kleine sporen van moleculen falen de gebruikelijke afbeeldingstechnieken. Het ion is daarom een veel betere detector voor moleculen. Dit resultaat is een eerste stap op weg naar het kunnen onderzoeken van quantum-materietoestanden met behulp van slechts een enkel ion als detector.

De waargenomen koude chemische reactie biedt ook een nieuwe methode om koude en manipuleerbare moleculaire ionen te verkrijgen. Zulke ionen zijn met name interessant voor precisie-spectroscopie en voor een beter begrip van ultrakoude botsingen en chemie.

Publicatie

De onderzoekers beschrijven hun werk in een artikel dat deze week in Physical Review Letters werd gepubliceerd:

Observation of Chemical Reactions between a Trapped Ion and Ultracold Feshbach Dimers, H. Hirzler, R.S. Lous, E. Trimby, J. Pérez-Ríos, A. Safavi-Naini en R. Gerritsma. Physical Review Letters 128, 103401.

Het artikel werd door het tijdschrift uitgelicht als Editor's Suggestion, en werd vermeld als Physics Synopsis op de link hieronder: