Framgångsrika experiment med lagrade joner i DESIREE

I november 2021 kunde man läsa om Michael Gatchells experiment som visade att fragment från kollisioner i interstellära mediet kan bidra till att forma nya större molekyler. DESIREE:s föreståndare Henning Schmidt berätter här om några nya framgångar.

Forsningsteam vid DESIREE

Berätta om din bakgrund och när du kom till Fysikum

- Jag började studera vid Aarhus Universitet i Danmark i 1986 och ville bli gymnasielärare. Först efter flera års studier insåg jag att forskarutbildning ens var en möjlighet och jag disputerade sedan 1994. Till Stockholm kom jag 1995 som postdoktor hos Henrik Cederquist på Atomfysikavdelningen. Därefter var jag forskarassistent 1998-2003 på Molekylfysikavdelningen, som numera är en del av kemisk fysik. 2006 fick jag ett lektorat i atomfysik och jag befordrades till professor 2011.

Vilken roll har du idag på Fysikum?

- Jag är professor och avdelningsansvarig i atomfysik. Dessutom är jag föreståndare för DESIREE som är en forskningsinfrastruktur som finansieras av Vetenskapsrådet. Forskningen där är inom AMO (atom, molekyl och optisk fysik) och många lokala medlemmar av avdelningarna för Atomfysik, Kemisk Fysik, Instrumenteringsfysik och tekniska avdelningen deltar. Förutom förstås alla våra externa användare från Sverige och resten av Världen. Jag har ingen egen undervisning för tillfället, men jag är ordförande i institutionens grundutbildningskommitté.

Vilken forskning bedriver ni vid DESIREE?

- Forskningen är fokuserad på experiment med lagrade joner. DESIREE består av två elektrostatiska lagringsringar där jonstrålar kan lagras under lång tid tack vara det väldigt fina vakuum som uppstår på grund av att hela vakuumkammaren är kyld till 13 kelvin. DESIREE har byggts upp från grunden lokalt här på Fysikum, och initialt på Manne Siegbahn-Laboratoriet. Under de senare åren har vi börjat få fler och fler resultat som har lett till ett antal intressanta publikationer. I november 2021 kunde man läsa om Michael Gatchell som hade fått sina resultat publicerade i Nature Communications. Det experimentet visade att fragment från kollisioner i det interstellära mediet kan överleva där och bidra till att forma nya större molekyler i denna väldigt tunna gasen i rymden mellan stjärnorna

Moa Kristiansson och Dr. Gustav Eklund
Moa Kristiansson och Dr. Gustav Eklund

Berätta om de senaste framgångarna med DESIREE

- Nu i januari har det publicerats resultat från två helt olika DESIREE-experiment och som av en händelse kom de samma dag. Det ena är ett livstidsexperiment där negativa joner av vismut studerades det andra är ett experiment med sammanfallande strålar.

Negativa joner kan tappa den extra elektronen och sin laddning

- Principen är enkel. En del av vismutjonerna skapas i ett exciterat tillstånd där deras extra elektron är lösare bunden än i grundtillståndet. I DESIREE utsätts de då för laserljus med en sådan våglängd, att bara de jonerna som är kvar i det exciterade tillståndet kan påverkas av lasern. Då kan de tappa den extra elektronen och därmed sin laddning. De neutrala atomerna som formas vid denna process lämnar ringen och räknas med hjälp av en partikeldetektor. Med tiden sönderfaller de exciterade jonerna till grundtillståndet och vi kan då se detta genom att räknehastigheten avtar med tiden efter att jonerna lagrades. Därigenom kan vi bestämma genomsnittliga livstiden för det exciterade tillståndet. Det är endast i kalla lagringsringar som DESIREE, man kan förvara dessa negativa joner tillräckligt länge för att mäta livstiden (16 sekunder för Bi-). Arbetet är en del av Moa Kristianssons avhandlingsarbete och det specifika experimentet med vismut utfördes i samarbete med bland andra Wesley Walter från Denison University, Ohio och Dag Hanstorp, Göteborg och resultaten publicerades den 18 januari i Phys. Rev. A Letters, se länk nedan.

Negativa vätejoner och positiva magnesiumjoner

- DESIREE är byggt som två lagringsringar för att möjliggöra studier av reaktioner mellan motsatt laddade partiklar vid låga energier. De första resultaten publicerades först 2020 så det är fortfarande ny mark att bryta för oss. Den senaste publikationen handlar om ömsesidig neutralisation (MN: Mutual Neutralization) mellan negativa vätejoner, där den tyngre väteisotopen deuterium användas av praktiska skäl, och positiva magnesiumjoner: Mg+ + D- → Mg + D. I DESIREE kan vi inte bara mäta att en MN-reaktion har ägt rum utan också vilka kvanttillstånd den neutrala Mg-atomen formas i. Experimentet hade föreslagits av Paul Barklem och Jon Grumer från Uppsala universitet och utfördes av Dr. Gustav Eklund som hade påbörjat detta som en del av sitt avhandlingsarbete. Paul och Jon intresserar sig för dessa processer därför att de också äger rum i stjärnornas atmosfärer och därför påverkar relationen mellan magnesiums förekomst i stjärnan (i det här fallet), och hur stark absorption av vissa våglängder som ses i stjärnornas spektra. För magnesium ledde olika teoretiska beskrivningar till olika förutsägelser för fördelningen på sluttillstånd för MN-processen, vilket gjorde att våra resultat verkligen behövdes för att avgöra vilken som blev den bästa beräkningsmetoden i detta fall. Resultaten publicerades i Phys. Rev Letters den 18 januari, se länk nedan.

Vilka experiment kommer ni att utföra fram över?

- DESIREE är en forskningsinfrastruktur till vilken man kan skicka förslag om nya experiment och bland annat av den anledningen åder det aldrig brist på nya idéer att utforska. Inom vår egen grupp har vi dels drivit experimenten med sammanfallande strålar framåt och där fokuserat på atomära joner under de första få åren med den här typen av experiment. Samtidigt har vi genomfört många experiment med båda små och stora komplexa molekyler vars egenskaper vi har studerat genom studier av spontana sönderfall samt deras växelverkan med lasrar. En av de stora framtida stegen är att uppgradera instrumenteringen runt DESIREE så att vi kan ta oss an ännu mer utmanande möjligheter att studera växelverkningar mellan olika komplexa joner i de två ringarna. Vi har just fått ett nytt bidrag från Vetenskapsrådets råd för forskningens infrastruktur (RFI) för att genomföra några av de nödvändiga uppgraderingarna. Vi tänker att det finns spännande experiment att utföra vid DESIREE i många år framöver.

Därför ska man studera på Fysikum!

- Man ska studera på Fysikum för att vi erbjuder en riktigt bra utbildning där huvudvikten ligger på att lära sig fysik som akademiskt ämne med de teoretiska och experimentella verktygen som passar för det. Trots den akademiska utgångspunkten råder det inte brist på jobbmöjligheter även utanför akademin för nyexaminerade fysiker. Fysikum har en mycket stark forskningsmiljö under ständig utveckling, vilket förstås är en bra anledning att forska här, men vilket också i högsta grad är en bra anledning att välja våra utbildningar. Närheten till högklassig forskning inom de flesta grenar av fysiken är en styrka och något vi behöver bli ännu bättre på att utnyttja inom undervisningen, och det jobbar vi på!

Mer information