Henning Schmidt och Henrik Cederquist under vakuumkammaren. Foto: Niklas Björling
Henning Schmidt och Henrik Cederquist under vakuumkammaren. Foto: Niklas Björling

 

I källaren på AlbaNova finns en världsunik forskningsinfrastruktur. Det rör sig om DESIREE (Double ElectroStatic Ion Ring ExpEriment) som används för att studera hur enskilda joner i bestämda kvanttillstånd växelverkar med fotoner (ljus) eller med andra partiklar i vakuum. Anläggningens huvudinstrument består av två elektrostatiska lagringsringar för joner som är inneslutna i en vakuumkammare av aluminium som i sin tur är innesluten i en vakuumkammare av stål som är 4,5 meter lång, 2,5 meter bred och 0,5 meter hög. För att injicera joner i lagringsringarna används så kallade jonkällor monterade på högspänningsplattformar och åtskilliga meter evakuerade jonstrålrör, omgivna av en stor mängd elkablar, datorer och spänningsaggregat. 

De två jonlagringsringarna har vardera en omkrets av 8,6 meter och i dessa hålls de accelererade jonstrålarna samman med så kallade jonoptiska element för avböjning och fokusering. Elementen består av metallelektroder och man använder sig av elektriska fält för att styra jonerna i sina banor; elektroderna är belagda med guld för att minska risken för störningar av de elektriska fälten.

Extremt bra vakuum

Aluminiumkammaren, ringarna och därmed de joner som cirkulerar i ringarna kyls till 13 Kelvin (-260 °C) med hjälp av så kallade kryogeneratorer som använder sig av flytande helium. Den låga temperaturen möjliggör ett extremt bra vakuum. Detta skapar i sin tur optimala förhållanden för att undersöka grundläggande fysikaliska frågeställningar som till exempel hur atomära och molekylära system och kluster uppför sig när de lämnas ostörda i vakuum under lång tid och hur de reagerar på ljus och i kollisioner med andra partiklar. I DESIREE:s extrema vakuum kan fria joner studeras under tidsrymder som är mycket längre än i konventionella jonlagringsanläggningar som nästan alltid körs vid rumstemperatur.

Den låga temperaturen i DESIREE ger dessutom möjlighet att manipulera jonernas interna egenskaper vilket nyligen demonstrerades för en stråle av OH- joner där man kunde koncentrera mer än 99 procent av de lagrade jonerna till ett enda kvanttillstånd. Detta ger helt nya möjligheter för kontrollerade studier av olika typer av reaktionsförlopp. De förhållanden som skapas i DESIREE liknar i mångt och mycket de som råder i det interstellära mediet - mellan stjärnor och galaxer - där densitet, gas-sammansättning (mest H2) och värmestrålning liknar de i DESIREE. Eftersom jonerna styrs av enbart elektriska fält kan man enkelt lagra lätta joner, som H+ och H-, såväl som tunga joner som till exempel C60 och kluster av lite tyngre ämnen som till exempel Cu21 - ett så kallat metallkluster. Ur lagringssynpunkt finns ingen övre massgräns och man förbereder nu också injektion av stora biomolekylära joner såsom delar av DNA.

Världsunik med två lagringsringar

I världen finns enbart två andra anläggningar av delvis liknande slag, en vid Max Planckinstitutet i Heidelberg och en vid RIKEN-laboratoriet i Tokyo. Dessa har dock bara varsin enkel jonlagringsring.

– DESIREE är världsunik med sina två lagringsringar – en för positiva och en för negativa joner. Ringarna har en gemensam sträcka där de båda jonstrålarna färdas tillsammans i samma riktning och vid nära nog samma hastighet. Man kan kontrollera hastighetskillnaden i små steg och studera laddnings- och energiutbyte mellan enskilda par av joner på ett sätt som inte varit möjligt tidigare, säger Henrik Cederquist som är professor i atomfysik och idag ansvarig för infrastrukturen.

DESIREE har enbart varit i full drift i några år och forskningen varit inriktad på grundläggande atom-, molekyl- och klusterfysik. I en angränsande anläggning som också tillhör infrastrukturen har en rad experiment med så kallade fullerener, polycykliska aromatiska kolvätemolekyler (PAH-molekyler) och biomolekyler utförts. Man har här visat att växelverkan med energetiska atomära system leder till unika destruktionsprocesser och att reaktionsprodukterna i sin tur är extremt reaktiva. Sådana och andra experiment vid DESIREE anläggningen kan visa sig vara betydelsefulla för de delar av astrofysiken som relaterar till hur större molekyler bildas och förstörs i olika miljöer i universum eller för att bättre förstå stjärnors utveckling. DESIREE-projekt kan också vara intressanta i anslutning till atmosfärsvetenskaperna då sådana projekt kan öppna nya möjligheter att studera stabiliteten hos till exempel vattenkluster och aerosoler. Kunskap om detta kan i förlängningen få betydelse för att förstå till exempel molnbildning.

– Vid infrastrukturen kan man också studera hur biomolekyler påverkas av strålning i olika former och av växelverkan med enskilda joner, säger professor Henning Schmidt.

Första anslaget till DESIREE kom år 2002 och hittills har cirka 150 miljoner kronor investerats i anläggningen. De främsta finansiärerna är Vetenskapsrådet, universitetet samt Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. Anläggningen är till allra största delen utvecklad och byggd av forskare och teknisk personal vid Fysikum.

– Vi har haft möjlighet att själva bygga anläggningen. Den kompetens inom acceleratorteknik som skapades vid det nu nedlagda Manne Siegbahn-laboratoriet har varit helt avgörande för att utveckla DESIREE, säger Henrik Cederquist.

Långsiktig finansiering

Hösten 2017 kom besked från Vetenskapsrådet om mer långsiktig finansiering av DESIREE med i runda tal tre miljoner årligen under sju års tid. Henrik Cederquist och Henning Schmidt är ganska nöjda med det beskedet. En projektansökan i samarbete med Uppsala universitet är även på gång till en annan stor finansiär för ett projekt där man med hjälp av mätdata från DESIREE bättre ska kunna relatera egenskaperna hos ljus från en stor mängd stjärnor till dessa stjärnors kemiska egenskaper.

I det konsortium som nu ska driva DESIREE ingår förutom universitetet även Göteborgs och Malmö universitet, men även forskare från Uppsala universitet, Lunds universitet, KTH och ett antal internationella lärosäten har visat stort intresse för anläggningen. Och fler lärosäten är välkomna, säger Henning Schmidt.

– DESIREE kan alltså erbjuda goda experimentmöjligheter för forskare både vid Stockholms universitet och från andra lärosäten. Infrastrukturen bidrar även till att attrahera både ledande internationella forskare för kortare besök i samband med experiment och unga lovande forskare för lite längre perioder, säger Henrik Cederquist.

Tiotalet forskare och en rad tekniker jobbar regelbundet med DESIREE som är en av de största experimentella anläggningarna i Fysikums lokaler. Den tekniska kompetensuppbyggnaden i anslutning till DESIREE-utvecklingen kommer nu också väl till nytta för andra experimentella verksamheter, säger Henrik Cederquist.

Mer information om forskningsinfrastruktur vid Stockholms universitet