Koude helium-ionen helpen bij bepaling natuurconstanten

Voor het eerst zijn aanzienlijke hoeveelheden ultrakoude helium-ionen geproduceerd. Duitse fysici wisten circa 150 stuks 4He+ af te koelen tot een temperatuur van maar 20 millikelvin (0 kelvin, het absolute nulpunt, komt overeen met -273,15 °C). Ultrakoude helium-ionen vormen een veelbelovend meetsysteem om fundamentele natuurconstanten te bepalen en de theorie van de elektromagnetische wisselwerking (QED of quantumelektrodynamica) experimenteel te toetsen.

Een artikel met de Duitse bevindingen is op 9 december gepost op de website http://arxiv.org/. Stephan Schiller en collega's van de Heinrich Heine-universiteit in Düsseldorf sloten de helium-ionen eerst op in een zogeheten magnetische val. Omdat koelen met lasers in dit geval een probleem vormt de benodigde continue UV-straling van 30 nanometer is technisch nog een brug te ver namen ze hun toevlucht tot een indirecte methode: ze stopten ook enkele duizenden beryllium-ionen in de magnetische val. Die zijn (via een toegankelijker frequentie) wel met lasers te koelen. Botsingen tussen helium- en beryllium-ionen leidden er vervolgens toe dat de snellere helium-ionen hun energie kwijt konden raken en zelf ook afkoelden.

Bij het koelen van de beryllium-ionen nemen deze op een gegeven moment een losjes geordende structuur aan: een zogeheten Coulomb-kristal (zie foto). De helium-ionen bleken zich zigzag in het centrum van dit kristal te nestelen. De Duitse techniek werkt ook met helium-3-ionen en uiteindelijk wil Düsseldorf toe naar HD+: een moleculair waterstof-ion waarin een van beide waterstofatomen is vervangen door deuterium.

Een helium-ion is een twee-deeltjes-systeem: een atoomkern (in dit geval twee protonen en een neutron) en een elektron. In die zin is het vergelijkbaar met waterstof (inclusief de zware varianten deuterium en tritium), en positronium (een exotische toestand waarbij een elektron en een positron voor korte tijd om elkaar heen draaien). Twee-deeltjes-systemen zijn bij fysici geliefd omdat ze de eenvoudigste configuratie vormen om theorieën over de interactie tussen geladen deeltjes te toetsen.

Dat gebeurt met spectroscopisch onderzoek: kijken welke kleuren licht de twee-deeltjes-systemen uitzenden of absorberen. Langs die weg valt de grootte van de atoomkern te bepalen, of de waarde van de zogeheten Rydberg-constante (die de ligging van de spectraallijnen bepaalt). Nauwkeurige metingen vereisen dat de ionen zo goed als stilstaan, anders verschuiven de frequenties op de wijze van de veranderende tonen van een voorbij rijdende brandweerauto (Dopplereffect). En het fors omlaagdrukken van de (gemiddelde) snelheid van de ionen komt neer op extreem afkoelen.