Première réussite de refroidissement et de piégeage des ions radium

Des chercheurs ont réussi à refroidir et piéger des ions de Radium pour la première fois. Ce truc important a été accompli en chargeant du radium dans un appareil spécial appelé Piège à ions en utilisant une méthode qui implique deux étapes de Photoionisation. L'équipe a trouvé une source fiable d'atomes de radium qui se décomposent à partir du Thorium. Le radium-224, qui a une demi-vie de 3,6 jours, est produit à partir du thorium-228, qui dure beaucoup plus longtemps, à 1,9 an. Ce processus continu assure qu'il y a un approvisionnement constant de radium disponible pour les expériences.

Les chercheurs ont testé l'efficacité de cette source et confirmé qu'après avoir retiré le radium qui s'accumule au fil du temps, le thorium se décompose à un rythme qui continue de fournir suffisamment d'atomes de radium pour le piégeage. Le système sous vide utilisé dans les expériences est scellé depuis plus de six mois et peut piéger des ions quand nécessaire.

Une mesure importante effectuée durant cette recherche était la fréquence d'une transition spécifique dans le radium-224. Cette fréquence, mesurée à 621,043,830 MHz, est cruciale pour une photoionisation efficace. Les chercheurs ont aussi proposé un ajustement pour une mesure similaire dans le radium-226, qui montrait un écart de 660 MHz par rapport aux valeurs précédemment acceptées.

Le radium est unique car c'est le plus lourd des éléments alcalins et il a des caractéristiques électroniques utiles qui le rendent adapté à diverses applications, y compris le refroidissement et le piégeage au laser. Il a une transition spécifique qui lui permet d'être utilisé pour des horloges atomiques de précision. Les longueurs d'onde nécessaires pour ces horloges peuvent bien fonctionner avec les technologies photoniques intégrées modernes, faisant du radium un excellent candidat pour des horloges optiques portables.

Cependant, il y a un problème : le radium n'a pas d'isotopes stables. Le radium-226 a une longue demi-vie de 1600 ans, mais d'autres isotopes comme le radium-225 ne durent que 15 jours. Cette radioactivité limite la quantité de radium pouvant être utilisée dans les expériences, car seules de petites quantités peuvent être manipulées en toute sécurité.

Dans des études précédentes, diverses techniques ont été utilisées pour travailler avec différents isotopes de radium. Par exemple, des expériences dans une installation nucléaire impliquaient d'utiliser des atomes de radium produits lorsqu'un faisceau de plomb frappait une cible en carbone. Une autre étude a démontré une horloge optique utilisant un ion de radium-226 produit par ablation laser de chlorure de radium. Pendant ce temps, le moment dipolaire atomique du radium-225 neutre a été mesuré en utilisant une méthode appelée piégeage dipolaire optique. D'autres techniques ont utilisé des protons à haute énergie pour créer du radium en irradiant des cibles de carbure d'uranium.

La plupart de ces méthodes nécessitent des installations spécialisées ou le besoin de casser des systèmes sous vide, ce qui n'est pas pratique pour des expériences atomiques et moléculaires quotidiennes. Heureusement, l'équipe a découvert que le thorium peut servir de source pour produire continuellement des isotopes de radium, améliorant l'accessibilité. Cette nouvelle méthode permet aux chercheurs de générer du radium-224, du radium-226, et même l'isotope souhaité de radium-225 sans avoir besoin d'installations nucléaires.

Le thorium a une pression de vapeur beaucoup plus basse, ce qui facilite la production d'un approvisionnement stable d'atomes de radium lorsqu'on chauffe un four conçu à cet effet. L'équipe de recherche a utilisé un four effusif basé sur ces caractéristiques pour réaliser la première photoionisation d'ions de radium dans un piège à ions et par la suite refroidir les ions de radium-224 à l'aide de lasers. Le four produit continuellement du radium-224 par la décomposition du thorium-228, permettant ainsi un flux constant de radium adapté aux expériences.

#Conception du four

Pour générer des faisceaux atomiques pour le refroidissement et le piégeage au laser, les chercheurs utilisent généralement des fours atomiques effusifs. Le four créé dans cette étude suit un design typiquement utilisé en épitaxie de faisceaux moléculaires. Il inclut un creuset en titane chauffé qui peut atteindre des températures élevées. Le creuset est un cylindre, et son couvercle a une petite ouverture qui permet aux atomes de radium de s'échapper.

En préparant le four, les chercheurs ont placé une solution de thorium dans le creuset et l'ont séchée par chauffage. Ensuite, ils ont ajouté du strontium pour aider à réduire les composés de radium qui pourraient se former. Au départ, un faisceau de strontium a été utilisé pour tester l'alignement du laser et la performance du piège à ions.

#Refroidissement et piégeage au laser

L'équipe a mis en place un piège de Paul linéaire pour réaliser des expériences de refroidissement et de piégeage au laser. Le piège utilise deux ensembles d'électrodes à radiofréquence (rf) pour capturer les ions. Les atomes de radium du four sont photoionisés à travers un processus en deux étapes. D'abord, le radium est excité à l'aide d'une couleur de laser spécifique. Ensuite, un autre laser pousse les ions dans un continuum, ce qui facilite leur capture. Le processus de refroidissement des ions piégés est également réalisé avec des lasers supplémentaires.

Plusieurs longueurs d'onde de lumière laser ont été testées pour l'étape de photoionisation, et finalement, les chercheurs ont trouvé que la lumière à 450 nm donnait les meilleurs résultats. Ils ont aussi exploré l'utilisation de l'auto-ionisation de Rydberg avec d'autres lasers, qui, bien que intéressant, n'a pas abouti à un piégeage réussi des ions.

L'équipe a assuré la fiabilité de leur source de four en mesurant combien d'ions ils pouvaient capturer au fil du temps. Le taux de succès a été déterminé en surveillant automatiquement les comptages des ions piégés. Les résultats ont montré qu'après les premières heures de fonctionnement, un taux de capture constant d'environ 0,13 ions par minute a été atteint.

#Spectroscopie du radium-224 neutre

La transition du radium à 483 nm est utile pour charger le radium dans des pièges à ions. Les mesures précédentes de cette transition pour le radium-226 ont fourni une base pour la nouvelle recherche. En comparant leurs mesures avec les résultats d'autres études, les chercheurs ont effectué de la spectroscopie sur le radium-224.

Dans le cadre de cette spectroscopie, ils ont généré un faisceau thermique d'atomes de radium-224 en chauffant davantage le four. À l'aide de deux faisceaux laser allant dans des directions opposées, ils ont excité les atomes de radium et collecté la lumière diffusée pour analyse. En balayant soigneusement la fréquence du laser, ils ont pu déterminer la fréquence de la transition du radium-224.

Les écarts remarqués dans les mesures de fréquence pour le radium-226 ont indiqué la nécessité de recherches supplémentaires, car leurs valeurs ne correspondaient pas aux rapports précédents.

#Directions de recherche futures

Travailler avec des radioisotopes à courte durée de vie comme le radium présente des défis, surtout pour produire suffisamment d'atomes pour les expériences. La réactivité du radium peut également compliquer ces efforts. L'équipe a expérimenté des techniques supplémentaires pour essayer d'améliorer leurs résultats, bien que certaines aient donné des résultats incertains.

Par exemple, ils ont essayé d'utiliser du gaz argon pour ralentir les atomes de radium, mais cela n'a pas augmenté les signaux de détection comme espéré. Ils ont aussi exploré l'utilisation d'agents réducteurs pour améliorer le signal de spectroscopie, mais il n'était pas clair si l'absence de signal était due à un manque de gaz ou de composés.

Dans l'ensemble, les résultats de cette recherche ouvrent de nouvelles possibilités pour utiliser le radium-224 dans des expériences. La source fiable créée à partir de la décomposition du thorium a le potentiel de soutenir diverses études futures, y compris celles impliquant d'autres isotopes de radium. La conception robuste du four assure un approvisionnement constant de radium, permettant une exploration continue dans le piégeage d'ions et peut-être des expériences avec des atomes neutres froids.

En améliorant les conceptions de fours et en explorant différentes méthodes, les chercheurs espèrent augmenter l'efficacité et l'efficacité de leurs expériences, testant différents isotopes pour diverses applications. La capacité à faire des mesures précises et à piéger des ions de radium peut conduire à des développements significatifs dans des domaines tels que les horloges atomiques et les investigations en physique fondamentale.