En atomfælde udviklet i Aarhus kan føre til mere præcise atomure og give ny viden om fænomener i universet. I fælden kan elektrisk ladede atomer nemlig afkøles og fastholdes, så det bliver muligt at måle på dem.
»Det er lykkedes os at fange enkelte højtladede ioner og nedkøle dem til millikelvin-området,« fortæller professor Michael Drewsen fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet. Han er medforfatter til en videnskabelig artikel, der netop er bragt i det anerkendte tidsskrift Science.
En ion er et atom eller et molekyle, der har en elektrisk ladning, fordi antallet af positivt ladede protoner i ikke er det samme som antallet af negativt ladede elektroner. En højtladet ion har en høj positiv ladning, fordi der er fjernet mange elektroner. Og når sådan et atom nedkøles til millikelvin, altså mindre end en grad over det absolutte nulpunkt ved -273,15 grader celsius, så ligger det så stille, at man kan måle på det.
Godt styr på enkelte atomer
I eksperimenterne, der fandt sted i Heidelberg i Tyskland i samarbejde med tyske forskere, skrællede fysikerne 13 elektroner væk fra argon-atomer, så de havde en ladning på +13. Det lykkedes dem at indfange enkelte argon-atomer i fælden.
»Nu har vi pludselig så godt styr på de enkelte atomer, at vi kan begynde at måle meget præcist på dem ved hjælp af højopløst spektroskopi. Det er det næste, vi vil gå i gang med,« forklarer Michael Drewsen.
Tidligere har man været i stand til at måle på neutrale atomer og på atomer eller molekyler med en lille ladning, men nu bliver det muligt også at måle på en ny klasse af atomare systemer, nemlig de højtladede ioner. Det var lidt tilfældigt, at forskerne lige kastede sig over argon, for metoden kan også bruges til andre atomer.
Fra atomure til astrofysik
Med spektroskopi kan man måle den elektromagnetiske stråling, som atomerne udsender, når de skifter energiniveau. Det kan være nyttigt i mange forskellige sammenhænge, siger Michael Drewsen:
»De elektroniske overgange i højtladede ioner kan være ekstremt præcise, så hvis man kan måle dem med en præcis laser, kan man lave ultrapræcise atomure med højtladede ioner.«
Atomure er netop baseret på, at atomer udsender stråling med en helt bestemt frekvens, når en elektron springer fra én energitilstand til en anden. Frekvensen angiver så at sige takten for uret.
»Resultaterne kan også bruges inden for astrofysik. Når man kender spektra for de højladede ioner, kan man forsøge at genfinde dem i verdensrummet og på den måde vise, at de samme ioner findes derude.«
De højtladede ioner opstår, hvor temperaturen kommer over en million grader, og det kan for eksempel være i forbindelse med supernovaeksplosioner, omkring neutronstjerner og sorte huller og i stjerners atmosfære. Så når man kender de højtladede ioner til bunds, kan man blive klogere på disse objekter.
»Måske kan man også finde ud af mere om atomkernens struktur. Meget af tiden befinder elektronerne sig så at sige inde i kernen i disse systemer, så man kan lære noget om atomkerner ved at måle på højtladede ioner,« fortsætter Michael Drewsen.
Bedre forståelse af naturen
Desuden kan målingerne sammenlignes med de teoretiske forudsigelser, som teoretiske fysikere regner sig frem til. Så vil det vise sig, om vores forståelse af kvanteelektrodynamik – kvanteteorien for de elektromagnetiske vekselvirkninger mellem partikler – nu også er helt på plads.
Netop på dette område ser professor Anders Søndberg Sørensen fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet også nogle perspektiver:
»Målingerne kan give en bedre forståelse af naturen. I sådan nogle systemer, som nu kan undersøges, kører elektronerne hurtigere rundt om atomkernen, så de relativistiske effekter er større. Fordi der er mere ekstreme effekter, kan vi måske bedre forstå, hvordan elektronen opfører sig.«
Men først skal fysikerne altså lige demonstrere, at det rent faktisk kan lade sig gøre at foretage ultrapræcise målinger på de atomer, der nu kan indfanges med dansk hjælp.
