Une équipe internationale de Suède, Japon, et l'Allemagne a établi un nouveau record de température pour ce que l'on appelle les pièges à ions quadripolaires qui capturent les ions moléculaires chargés électriquement. Ils ont réussi à refroidir environ dix millions d'ions à 7,4 K (environ -265,8 degrés Celsius) en utilisant un gaz tampon. C'est un nouveau record.

Auparavant, il n'était possible de refroidir qu'environ un millier d'ions à 7,5 K en utilisant un gaz tampon. Cependant, mille ions sont loin d'être suffisants pour les analyses spectroscopiques. Le piège à ions avec cette nouvelle méthode offre une nouvelle opportunité d'utiliser la spectroscopie cryogénique des rayons X pour étudier le magnétisme et les états fondamentaux des ions moléculaires. C'est la base nécessaire pour développer de nouveaux matériaux pour les technologies de l'information économes en énergie. L'ouvrage a été publié dans le Journal de physique chimique .

"Jusqu'à maintenant, tout le monde a supposé qu'il ne serait pas possible d'atteindre des températures plus basses à une densité d'ions aussi élevée avec un piège à ions quadripolaire. Mais cela peut être fait", dit le chercheur du HZB Tobias Lau. C'est parce que le champ électromagnétique RF ne se contente pas de piéger les ions stockés, mais les "secoue" également, de sorte qu'ils gagnent constamment de l'énergie et augmentent en température. Afin de puiser cette énergie supplémentaire, l'équipe a introduit l'hélium comme gaz tampon, et à une pression relativement élevée. "Vous devez imaginer cela comme une sorte de sirop froid qui amortit le macro-mouvement des particules, ralentir leur rotation et leur translation", explique Vicente Zamudio-Bayer de l'Université de Fribourg.

Un dispositif expérimental unique

Les expériences ont été réalisées à l'aide de la station UE52-PGM de BESSY II où la polarisation du rayonnement X doux peut être modifiée. L'installation expérimentale de cette ligne de lumière est unique en ce qu'elle facilite la spectroscopie aux rayons X d'ions cryogéniques sous des champs magnétiques appliqués de l'extérieur. L'échantillon peut être analysé dans un champ magnétique appliqué de l'extérieur à l'aide de rayons X à polarisation circulaire (dichroïsme circulaire magnétique à rayons X/XMCD). Cela donne des informations sur les moments magnétiques des électrons subdivisés en contributions de spin et orbitales.

Moments magnétiques des cations N2

"Nous avons pu pour la première fois déterminer expérimentalement les moments magnétiques des dimercations du nickel grâce aux températures particulièrement basses", Lau continua. Le travail sur le piège à ions fait partie d'un projet plus vaste de HZB et de l'Univ. de Fribourg financé par le ministère fédéral allemand de l'éducation et de la recherche (subvention n° BMBF-05K13Vf2).

Perspectives :températures plus basses

"Nous travaillons maintenant pour atteindre des températures encore plus basses. Nous espérons que nous atteindrons bientôt 5 K", propose Zamudio-Bayer. Plus la température est basse, plus les effets magnétiques apparaissent clairement.

Avantage pour les utilisateurs

Mais tous les utilisateurs du piège à ions de la station BESSY II UE52-PGM peuvent déjà profiter du record atteint. "Non seulement le magnétisme, mais aussi de nombreuses autres propriétés d'un large éventail de molécules différentes peuvent être étudiées ici par spectroscopie, tels que les complexes d'ions de métaux de transition. Cela sera donc attrayant pour de nombreux utilisateurs, en particulier ceux de la chimie physique", Lau pense.