Высокозарядные ионы — атомы, которые разными способами потеряли больше одного электрона. Ими могут быть и «голые» ядра, утратившие всю электронную оболочку. Обычно для того, чтобы создать их в лабораторных условиях, ученым нужно работать с высокими энергиями и сильными полями.
Часто их получают на ускорителях частиц, а значит, и движутся высокозарядные ионы на высоких скоростях. Для физических экспериментов такие ионы нужно остановить, захватить и охладить — нетривиальная задача. Специально для этих целей в немецком Институте тяжелых ионов GSI разработали установку HITRAP (High Charge Ion Trap).
С помощью HITRAP исследователям впервые удалось замедлить и захватить полностью ионизированные ионы аргона (36Ar18+). Они двигались на скорости, составляющей примерно 30% скорости света. Значительное торможение позволило удержать частицы в ловушке Пеннинга. Также научная группа впервые провела электронное охлаждение высокозарядных ионов в такой ловушке. Результаты опубликовали в журнале Physical Review X.
Исследователи сообщили, что это первый случай, когда научная группа проделала целиком весь путь: от генерации высокозарядных ионов к хранению в специальной ловушке на протяжении не менее 11 секунд.
В ловушке Пеннинга для хранения частиц используют магнитное и электрическое поля. Однородное магнитное поле в ловушке ограничивает траекторию движения частицы, заставляя ее идти по спирали в радиальном направлении (поперек силовых линий). В итоге оно ограничивает движение в двух осях (X и Y). А электростатическое поле удерживает частицу вдоль третьей оси (Z), не давая ей вырваться вдоль линий магнитного поля. На основе наблюдений за движением частицы ученые могут вычислить ее характеристики пойманной. Для захвата ионов в ловушку их кинетическую энергию пришлось уменьшить примерно в 10 000 раз.
Энергия ионов все еще была слишком высока для точных исследований. Ее снизили с помощью электронного охлаждения. Для этого в ловушку допустили пучок электронов с энергией, подобранной под ионы аргона внутри. При столкновении электроны отбирают часть энергии у ионов, так они постепенно охлаждаются, что увеличивает их время жизни в ловушке.
Это первый описанный случай использования электронного охлаждения в ловушке Пеннинга для высокозарядных ионов. Физики считают, что реализованный ими процесс продвинет исследования тяжелых высокозарядных ионов. Электронное охлаждение, в отличие от обычного для таких условий газового, оставляет ионы подготовленными для высокоточных измерений.