協同冷卻(相互作用冷卻)是採用雷射冷卻的原子離子作為帶電“緩衝氣體”實現冷卻。相較於利用低溫氦作為緩衝氣體。該方法可以獲得更低的冷卻溫度。這裡至少有兩種不同的樣品被同時俘獲在離子阱中，其中一種樣品可以利用雷射直接冷卻，其餘的樣品(或其中的一部分樣品)則通過樣品間的長程庫侖相互作用被最終冷卻下來。人們最早在潘寧阱中利用雷射冷卻原子離子的實驗中觀察到了協同冷卻，隨後在射頻阱中也觀察到了協同冷卻。
基本介紹
- 中文名：協同冷卻
- 外文名：Cooperative cooling
- 別名：相互作用冷卻
- 所屬領域：物理
- 使用材料：雷射冷卻的原子離子
- 優點：不依賴於粒子內部能級結構
優點,製備方法,套用舉例,
優點
協同冷卻的一個重要優點是它並不依賴於粒子內部能級結構、粒子的電偶極矩和磁偶極矩，而是僅僅與粒子的質量和所帶電荷有關。目前已經分別在靜電離子阱和射頻離子阱中實現了多種原子樣品的協同冷卻。這些研究工作中，所有協同冷卻的樣品均為帶單電荷的中等質量原子。
協同(原子)離子冷卻同樣適用於冷卻分子離子。Drewsen及其合作者在這方面進行了開創性的工作，他們利用H2和雷射冷卻的Mg+反應製備MgH+分子離子，並在隨後的實驗中觀察到了協同冷卻和結晶現象。Baba和Waki等人也同樣利用雷射冷卻的Mg+實現了離子的協同冷卻，獲得樣品的溫度相當於約為10 K的氣相溫度。這兩個研究小組在協同冷卻中都使用的是線性四極離子。
離子協同冷卻的第二個優勢是離子間的庫侖相互作用使得冷卻效果非常顯著。我們在研究工作中僅用兩種原子離子樣品，利用協同冷卻的方法可以實現從1 amu到470 amu質量範圍內的任何(單電荷)原子和分子離子樣品的冷卻，甚至是高電荷態的重離子(質量可達到12400 amu)的冷卻。
製備方法
製備協同冷卻的原子和分子的方法有很多種。方法之一是將中性氣體在真空室中釋放，並利用穿過阱中心的電子束將中性氣體原位電離。改變中性氣體的局部壓力和電子束強度可以控制裝載速率。通過改變阱參數控制徑向和軸向頻率的比值可以實時地改變混合樣品系綜的形狀。
以下幾種方法可以將帶電的大分子轉化到氣相。其中的一個方法是電噴射電離(ESI)。這個成熟的方法可以將溶液中的分子(甚至是重達幾萬個amu的分子)製備為帶電的分子束。由針嘴噴射出的帶電液滴快速蒸發變得越來越小，直到庫侖爆炸使這些液滴變為具有不同質子數的單分子碎片。實驗上利用四極質量過濾裝置篩選實驗所需荷質比的分子。因為這些分子在離子阱外製備，所以需要使用一個射頻八極離子導引裝置將它們轉移並注入阱中。
套用舉例
在玻色氣體裡觀測到玻色一愛因斯坦凝聚之後，研究人員自然而然想到冷卻費米原子，事實上，製備量子簡併費米氣體要比實現玻色一愛因斯坦凝聚困難得多，主要是因為對於單分量超冷費米氣體，不能進行有效的蒸發冷卻，在蒸發冷卻過程中粒子之間需要通過彈性碰撞不斷地進行熱平衡，由於溫度很低，粒子之間的彈性碰撞只有能量最低的散射分波，然而費米由於泡利不相容原理壓制了一波散射，從而在低溫下單個分量的費米氣體是理想氣體，不能通過碰撞被進一步蒸發冷卻，解決這個實驗困難的辦法是，在磁場中同時冷卻兩個不相干的原子態，因為處與不同態的費米子可分辨，低溫下彈性碰撞不會因泡利不相容原理而被壓制，於是可以確保蒸發冷卻，另外解決這個困難的方法是利用協同冷卻，也就是用玻色氣體協助冷卻一個單分量的費米氣體，相比於前一個方法，協同冷卻的優點是費米原子的總數在冷卻過程中不會減少。
