Mycket lång atomär livstid mätt i DESIREE!

Ett av de första experimenten som har genomförts vid DESIREE gick ut på att mäta livstiden för det (enda) exciterade tillståndet i negativt laddade svavel-joner, S-(3p5 2P1/2). Detta experiment utgjorde en viktig komponent i Erik Bäckströms avhandling som han försvarade framgångsrikt den 20 mars. Denna vecka har resultatet publicerats i Physical Review Letters och dessutom valts ut som ’Editor’s Choice’ och som ämne för en Viewpoint artikel i Physics.

Den 20 mars disputerade Erik Bäckström avhandlingen med titeln: Time-Resolved Spectroscopy and Intensity Measurements of Singly Charged Ions
Den 20 mars disputerade Erik Bäckström avhandlingen med titeln: Time-Resolved Spectroscopy and Intensity Measurements of Singly Charged Ions

Negativa atomära joner skiljer sig från neutrala atomer och positiva joner genom att den extra elektronen bara binds genom att den polariserar atomen. Potentialen som beskriver växelverkan mellan elektronen och den neutrala atomen är ganska grund och har kort räckvidd vilket leder till att det bara finns enstaka (om ens några) bundna kvanttillstånd. Detta är i kontrast till situationen för en neutral atom eller positivt laddad jon. Där har potentialerna lång räckvidd på grund av Coulomb interaktionen mellan elektronen och den kvarvarande positiva laddningen, och då finns det ett oändligt antal bundna tillstånd. Att de negativa jonerna bara kan skapas tack vara polarisation innebär också en stor utmaning för det vanliga sättet att beskriva atomära mångpartikelsystem som utgår från en första approximation där elektronerna är oberoende av varandra.

Om kvantmekaniska urvalsregler baserade på elektronvågfunktionens symmetri tillåter det, domineras atomära sönderfall av elektriska dipol-övergångar. Dessa är ofta snabba och som exempel kan nämnas övergången mellan 2p- och 1s-tillstånden i atomärt väte där (medel)-livstiden för det övre tillståndet bara är 1,6 nanosekunder. I de flesta negativa joner som har fler än ett bundet tillstånd tillåter inte urvalsreglerna elektriska dipolövergångar. I stället sönderfallar det övre tillståndet (som då betecknas som metastabilt) genom betydligt långsammare mekanismer. Livstider av metastabila tillstånd har tidigare mätts (bland annat vid CRYRING: P. Andersson et al , Phys. Rev. A 73, 032705 (2006)) i området millisekunder till få sekunder, men vi har nu mätt livstiden för 3p5 2P1/2 tillståndet i S- till 8 min 23 s med en experimentell osäkerhet på 54 s, vilket är en helt ny tidsskala för experimentella studier av övergångar i negativa joner.

Fig 1: En av ringarna i DESIREE. Negativa svaveljoner lagras i ringen vid 10 keV kinetisk energi. En laser-puls korsar jonstrålen och en del av de exciterade svaveljonerna neutraliseras och fortsätter därför rakt fram och träffar detektorn (MCP)
Fig 1: En av ringarna i DESIREE.
Negativa svaveljoner lagras i ringen vid 10 keV kinetisk energi. En laser-puls korsar jonstrålen och en del av de exciterade svaveljonerna neutraliseras och fortsätter därför rakt fram och träffar detektorn (MCP)

Metoden som vi har använt för att mäta livstiden för exciterade S- joner i DESIREE är att lagra en stråle av joner varav en viss andel från början är i det exciterade tillståndet. Därefter skickar vi in laserpulser som korsar jonstrålen. Laserns våglängd är vald så att fotonenergin INTE räcker till för att frigöra den mest löst bundna elektronen om jonen är i grundtillståndet, men däremot går detta bra för joner i det exciterade tillståndet. Således bildas det neutrala svavelatomer som vi sedan enkelt detekterar eftersom de kommer att fortsätta rakt fram efter de elektriska avlänkningsplattorna som styr jonstrålen i ringen. Genom att applicera lasern vid olika tidpunkter efter att jonerna lagrats i DESIREE och plotta antalet neutrala atomer per laserskott mot tiden efter injektion får vi ett exponentiellt sönderfall från vilket livstiden för det övre tillståndet kan extraheras (ungefär samma princip som när studenterna i kursen Experimentella Metoder bestämmer livstiden för en radioaktiv silverisotop – även om vår utrustning är aningen mera avancerad).

Fig. 2: Energinivåerna i den negativa svaveljonen. För våglängder i intervallet 596.9 nm – 614.6 nm kan en foton absorberas och en elektron frigöras från negativa svaveljoner som befinner sig i det exciterade tillståndet 3p5 2P1/2 samtidigt som detta inte är möjligt för joner i grundtillståndet 3p5 2P3/2. Genom att välja en våglängd i detta intervall och räkna antalet neutrala svavelatomer som skapas har vi en signal som är mycket känslig för andelen av jonerna som är i det metastabila tillståndet.
Fig. 2: Energinivåerna i den negativa svaveljonen.
För våglängder i intervallet 596.9 nm – 614.6 nm kan en foton absorberas och en elektron frigöras från negativa svaveljoner som befinner sig i det exciterade tillståndet 3p5 2P1/2 samtidigt som detta inte är möjligt för joner i grundtillståndet 3p5 2P3/2. Genom att välja en våglängd i detta intervall och räkna antalet neutrala svavelatomer som skapas har vi en signal som är mycket känslig för andelen av jonerna som är i det metastabila tillståndet.

Anledningen att det inte tidigare har mätts så här långa livstider är att det helt enkelt inte har varit möjligt att lagra jonstrålarna tillräckligt länge. Vad som begränsar jonernas lagringstid är i regel kollisioner med den lilla mängd gas som oundvikligen finns kvar i vakuumsystemet. Det är på den punkten som våra DESIREE mätningar avgörande skiljer sig från tidigare mätningar. Tack vara att DESIREE är kyld till 13 K har vi ett väldigt bra vakuum. Tätheten av restgasmolekyler (nästan uteslutande vätemolekyler) är bara några få molekyler per mm3. Därför kan vi lagra joner med kollisionsbegränsade medellivstider upp till en halv timme och genomföra mätningar av atomära livstider på upp till 10 minuter eller längre.

Nya experiment pågår naturligtvis i DESIREE och vi har börjat studera andra negativa atomära joner med denna teknik. Vi studerar dessutom negativa klusterjoner av kol och koppar och hur dessa och andra komplexa system som skapas i exciterade tillstånd i jonkällan kyler när de lagras i DESIREE. Signalen av neutrala fragment följs då som funktion av tiden och här är återigen det väldigt bra vakuum mycket värdefullt genom att det nu blir möjligt att följa den snabbt avtagande signalen under längre tid. Detta återigen på grund av den låga restgastätheten och därav få kollisoner som annars begränsar lagringstiden och bidrar till bakgrundsignalen av neutrala partiklar på detektorerna. Parallellt med de många intressante experimentella projekt håller vi också på att optimera signalen för ömsesidiga neutralisationsprocesser. Detta görs i ett testexperiment där Ar+ och C- lagras i var sin ring och vi utnyttjar således DESIREEs fulla potential med två lagringsringar för att studera de positiva och negativa joners inbördes växelverkan.

Erik Bäckström, Sven Mannervik, Henrik Cederquist, Henning Schmidt

(figurer från Bäckström et al, PRL 114, 143003 (2015) http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.143003)

Share this post
  •  
  •  
  •  
  •  

One thought on “Mycket lång atomär livstid mätt i DESIREE!”

Comments are closed.