Iyonları Tuzaklamak

İyonları tuzaklama düşüncesi yeni değildir, ilk iyon tuzağını, 1936′da FM Penning tasarlamıştır Federal Almanyalı bilim adamı Wolfgang Paul ise, 1950′li yıllarda, ikinci tür bir iyon tuzağı bulmuştur Günümüzde kullanılanlar da, hâlâ bu öncülerin geliştirdiği ilkelere dayanmaktadır, ilk deneyler, binler ve milyonlar basamağındaki çok sayıda iyonla yapılıyordu; bu yüzden tüm sırları açığa vurmuyordu Yıllar geçtikçe, araştırmacılar, tuzaklanan iyon sayısını birkaça indirmeyi amaçladılar

1978′de, Federal Almanyalı PToschek ile ABD’li Hans Dehmelt ve arkadaşları, bir tuzak içinde, birkaç baryum iyonundan oluşan bir iyon bulutu elde etmeyi başardılar; zaman zaman, iyon sayısının bire indiği bile oluyordu Bir yıl sonra, deneylerini daha da kusursuzlaştırmışlardı; artık, ışığın, bir iyondan mı, iki ya da üç iyondan mı geldiğini kesinlikle belirleyebiliyorlardı Bilim adamlarının merakla bekledikleri deney sonuçları, hiç de şaşırtıcı değildi; Bu uç koşullarda (çok az sayıda iyon bulunan) geçerli olması gereken, atomların foton yayınlaması ya da soğurması gibi tümüyle kuantum mekaniksel olaylar, deney sonuçları ile doğrulanıyordu Deney, daha da geliştirilebilirdi: Bir tuzaktaki birkaç iyonu uzun süre kolayca gözlemlemek için, onların ısıl(termik) hareketlerini durdurmak, kısacası onları soğutmak gerekiyordu Ancak, 1987′de yapılan deneyler şaşırtıcı bir sonuç verdi: Soğutma sonunda, birkaç iyondan oluşan düzensiz bir buluttan yayınlanması beklenen ışığın davranışının tümüyle değiştiği gözlendi; tuzağın içinin çekilen fotoğrafları, iyonların, kristallere benzeyen düzenli yapılar verecek biçimde dizildiklerini gösterdi

Bilim adamları, tuzağın içindeki koşullar değiştirilince, “kristallerin nasıl oluştuğunu; nasıl çözünüp, sonra yeniden biraraya geldiğini ve bunların nedenlerini açıklayabilmelidirler Gözlemlere göre, bu olay, bir katı fazdan (kristal) bir gaz fazına (bulut); başka deyişle, düzenden karmaşaya(kaosa) geçiş olarak düşünülebilir Acaba bu kavramlar, bu alışılmamış duruma da, gerçekten uygulanabilir mi ya da nasıl uygulanabilir? İyonların davranışını yöneten işleyişi anlayabilmek için, öncelikle, tuzağın kendi çalışmasını incelemek gerekir iyonun, tuzağın içine nasıl konulacağını da araştıralım: En basit yolu, iyonu, tuzağın içinde oluşturmaktır; örneğin, tuzağın içinden geçen bir atom demeti, hızlı elektronlarla bombardıman edilebilir Elektronların çarpması ile, genel olarak, atomlar birer elektron yitirirler ve artı iyonlar oluştururlar Tuzaklanmış bile olsalar, bu iyonların kutuya girerken taşıdıkları yüksek hızları fazla değişmez; böylece tuzağın içindeki doğru hareketleri de hızlı olur Başka deyişle, iyonların büyük bir kinetik enerjisi vardır; dolayısıyla, sıcaklıkları da yüksektir; çünkü bir atomlar topluluğu için, sıcaklık, kinetik enerji ile doğru orantılıdır

Ne yazık ki, bu sıcaklık, bizi amacımızdan uzaklaştırır: iyonların hızlı ve denetlenmesi zor hareketi, onların gerçek içyapı özelliklerini gizler ya da değiştirir Öyleyse, iyonları kinetik enerjilerinden kurtarmak, yani onları soğutmak gerekir Ancak bu soğutma, iyon tuzağı düzeneğini buza, sıvı azota ya da sıvı helyuma koymakla yapılamaz; çünkü iyonlar, tuzağın çeperlerine hiç değmemektedir, işte bu nedenle, soğutucu olarak, bir laser kullanılacaktır

Gerçekten, laserin yayınladığı fotonlar, iyonlara bir “ışınım basıncı” uygular: bu da, iyonların hareketini değiştirir: Laserin frekansı iyi ayarlanabilirse, hareketli bir iyon, kendine çarpan bir fotonu soğurabilir ve kendi de frenlenmiş olur; çünkü momentumu, fotonun momentumu kadar azalır Ancak bu yavaşlama, çok azdır; çünkü fotonun taşıdığı momentum çok küçüktür Dolayısıyla, iyonu yavaşlatmak için çok sayıda çarpışma gerekir Acaba iyon, bu kadar fotonu nasıl soğurabilecektir? iyon, her çarpışmada bir foton soğurarak, taban durumundan uyarılmış bir duruma geçer; biraz sonra, soğurduğu fotona benzeyen bir foton yayınlayarak, yeniden taban durumuna döner Böylece, laserin yayınladığı çok sayıda fotonu soğurabilir