Blog

Mar 31, 2024

Alto

Nature volume 603, pagine 411–415 (2022) Cita questo articolo 13k Accessi 8 Citazioni 279 Dettagli sulla metrica altmetrica Quando gli atomi vengono collocati nei liquidi, le loro linee spettrali ottiche corrispondenti alla

Natura volume 603, pagine 411–415 (2022)Citare questo articolo

13mila accessi

8 citazioni

279 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Quando gli atomi vengono posti nei liquidi, le loro linee spettrali ottiche corrispondenti alle transizioni elettroniche sono notevolmente ampliate rispetto a quelle dei singoli atomi isolati. Questo aumento della larghezza di riga può spesso raggiungere un fattore superiore a un milione, oscurando le strutture spettroscopiche e impedendo la spettroscopia ad alta risoluzione, anche quando come materiale ospite viene utilizzato l'elio superfluido, che è il liquido più trasparente, freddo e chimicamente inerte. 3,4,5,6. Qui mostriamo che quando un atomo di elio esotico con un antiprotone costituente7,8,9 è incorporato nell'elio superfluido, la sua linea spettrale della lunghezza d'onda visibile mantiene una larghezza di linea inferiore al gigahertz. Una brusca riduzione della larghezza di riga della risonanza laser antiprotonica è stata osservata quando il liquido che circonda l'atomo è passato alla fase superfluida. Ciò ha risolto la struttura iperfine derivante dall'interazione spin-spin tra l'elettrone e l'antiprotone con una risoluzione spettrale relativa di due parti su 106, anche se l'elio antiprotonico risiedeva in una matrice densa di atomi di materia normale. Il guscio elettronico dell'atomo antiprotonico mantiene un piccolo raggio di circa 40 picometri durante l'eccitazione del laser7. Ciò implica che altri atomi di elio contenenti antinuclei, così come mesoni e iperoni caricati negativamente che includono quark strani formati nell'elio superfluido, possono essere studiati mediante spettroscopia laser con un'elevata risoluzione spettrale, consentendo la determinazione delle masse delle particelle9. Le linee spettrali nette potrebbero consentire la rilevazione di antiprotoni dei raggi cosmici10,11 o la ricerca di antideutoni12 che si fermano in bersagli di elio liquido.

Spettroscopia laser di atomi di antiidrogeno13,14 e di elio antiprotonico (\(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{+}\equiv {{}^ {4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{2+}+{\bar{p}}^{-}+{e}^{-}\))7,8, 9 sono stati recentemente effettuati per indagare la simmetria tra materia e antimateria. Questi esperimenti sono complementari ad alcune misure di precisione sulle proprietà dei singoli antiprotoni15,16. L'elevata precisione di questi esperimenti potrebbe essere raggiunta solo riducendo o eliminando le collisioni con atomi normali che si è scoperto che annichilano gli antiprotoni negli atomi esotici o perturbano i loro livelli di energia atomica e ampliano fortemente le risonanze laser17,18. Ciò richiedeva la formazione dell'antiidrogeno o \(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{+}\) in trappole magnetiche o bersagli di elio gassoso di estremamente bassa densità atomica ρ <1018 cm−3, in modo che siano state risolte linee spettrali nette di atomi effettivamente singoli isolati da cui sono state determinate con precisione le frequenze di transizione atomica. Si è scoperto che altri atomi esotici accelerano e si riscaldano durante la loro formazione e durante le collisioni con altre molecole19,20,21 in modo che le loro linee spettrali dei raggi X risultassero ampliate. In questo lavoro, abbiamo invece osservato il sorprendente fenomeno per cui, in contrasto con i precedenti risultati sugli atomi esotici, il \(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e }}}^{+}\) incorporato nell'elio superfluido (He II) ha mostrato linee spettrali della lunghezza d'onda visibile che sono più strette di quelle di molti altri atomi stabili impiantati fatti di materia normale riportati finora. Alla temperatura di transizione di fase superfluida, dove la densità atomica del liquido è maggiore, la risonanza laser ad antiprotoni si restringe bruscamente a larghezze di linea inferiori a GHz corrispondenti a una risoluzione spettrale relativa di 2 × 10−6, che è più di un fattore 10 più stretta di gli stessi spettri \(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{+}\) osservati nell'elio in fase supercritica di densità inferiore. Ciò implica che altre varietà di atomi di elio contenenti antideutoni – o mesoni e iperoni caricati negativamente22 che includono il quark strano che non può essere facilmente decelerato e raffreddato utilizzando sincrotroni o isolato in trappole ioniche – potrebbero invece essere fermati in He II e misurati con un’elevata ampiezza spettrale. risoluzione mediante spettroscopia laser. Il fatto che le forme delle linee siano così sensibili alla temperatura e alla fase del liquido suggerisce che \(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{+}\ ) può essere utilizzato per studiare alcuni effetti della materia condensata nell'elio superfluido23,24,25,26,27.