Fizikai: „atrodo, lyg jonai nesilaikytų termodinamikos dėsnių“

„Šis nukrypimas nuo žinomų termodinamikos dėsnių reiškia, kad šiltas obuolių pyragas arba atvėstų kaip tikėtasi, arba spontaniškai plykstelėtų liepsna – nelygu, kokios tiksliai temperatūros jis buvo, kai padėjote jį ant palangės,“ palyginimą pateikė Hudsonas, tyrimo pagr. autorius.

UCLA tyrėjai pirmą kartą nustatė „jonų spąstų“ buferinio dujinio aušinimo naudojimo fundamentalias ribas. Atlikdami eksperimentą, tyrėjai paruošė mikroskopinį lazeriais aušinamų bario jonų mėginį ir panardino į maždaug 3 milijonų lazeriu aušinamų kalcio atomų debesį. Tyrėjai molekules ypatingai stipriai atšaldo griežtai kontroliuojamoje aplinkoje, kad pasireikštų įprastomis sąlygomis neregimos kvantų mechanikos savybės.

Jonai buvo laikomi aparate, kuriame krūvį turinčios dalelės levituojamos milijonus kartų per sekundę kintančiais elektriniais laukais, užrakinančiais jonus regione, mažesniame už žmogaus plauko storį. Atomų ir jonų mėginiai buvo atšaldyti iki vos viena tūkstantąja laipsnio aukštesnės už absoliutųjį nulį temperatūros, naudojant techniką, kai dalelių judėjimas stabdomas lazerio šviesa.

Leidę atomams ir jonams susidurti ir sistemai įgyti galutinę temperatūrą, fizikai pašalindavo kalcio atomus ir išmatuodavo bario jonų temperatūrą. Rezultatai, rodantys, kad yra kelios galutinės temperatūros, priklausančios nuo jonų skaičiaus ir pradinės temperatūros, liudija, kad veikia subtili, netiesinė fizika.

Tyrėjai šias keistas savybes siejo su sistemos kaitinimo ir aušinimo sparta — neįprasta temperatūrų priklausomybe tarp jonų, sąveikaujančių jonų spąstuose. Simuliacija ir teorija atitinka eksperimentinius duomenis ir demonstruoja, kad buferinis dujinis aušinimo procesas yra fundamentaliai netiesinis, o ne paprasčiausias balansavimas, kaip manyta iki šiol.

„Mūsų rezultatai demonstruoja, kad negalima tiesiog leisti bet kokias buferines dujas į prietaisą — kad ir kokios šaltos jos būtų — ir tikėtis efektyvaus aušinimo.“

Stevenas Schowalteris, magistrantas Hudsono laboratorijoje ir NASA Reaktyvinio judėjimo laboratorijos mokslininkas, sakė, „Mūsų rezultatai demonstruoja, kad negalima tiesiog leisti bet kokias buferines dujas į prietaisą — kad ir kokios šaltos jos būtų — ir tikėtis, efektyvaus aušinimo.“

Aušinimas buferinėmis dujomis gyvybiškai svarbus daugelyje sričių, nuo teismo ekspertizių iki antimedžiagos gaminimo. Hudsono tyrimų grupė atrado svarbius niuansus, keičiančius dabartinį supratimą apie aušinimo procesą, paaiškina anksčiau kildavusius aušinimo eksperimentų sunkumus ir atveria naujus ultrašaltų jonų mėginių parengimo kelius. Tyrėjai šiuo eksperimentu pademonstravo, kaip šiuos rūpesčius keliančius efektus galima į veikti ir netgi išnaudoti preciziniams molekulinių motorų ir vieno atomo šiluminių variklių tyrimams.

„Žinoma, šis darbas termodinamikos dėsnių nepažeidžia, tačiau parodo, kad tebėra įdomių, potencialiai naudingų dalykų, kuriuos galime sužinoti apie buferines dujas

Sužinokite daugiau: Nauji jonų šaldymo metodai
Daugiau informacijos: Nature CommunicationsDOI: 10.1038/ncomms12448

Žurnalo nuoroda: Nature Communications