Um novo tipo de armadilha de radiofrequência consegue capturar partículas com requisitos extremamente diferentes e, teoricamente, poderia reter ambos os tipos de partículas simultaneamente. Pesquisadores do grupo do Professor Dmitry Budker, do Cluster de Excelência PRISMA++ e do Instituto Helmholtz da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz (JGU), conseguiram aprisionar íons de cálcio ou elétrons no mesmo aparelho.

As descobertas da equipe, publicadas na Physical Review A , mostram o potencial dessa tecnologia para a síntese de anti-hidrogênio.

"As armadilhas de radiofrequência, também chamadas de armadilhas de Paul, são usadas há muito tempo por físicos para capturar partículas específicas", explicou o Dr. Hendrik Bekker. "No entanto, elas geralmente são limitadas a uma única frequência."

Isso significa que apenas um tipo de partícula pode ser capturado por vez em uma armadilha de Paul típica. Para sintetizar anti-hidrogênio, no entanto, dois tipos de partículas — antiprótons e pósitrons — precisariam ser aprisionados simultaneamente.

Devido à sua baixa massa, os pósitrons requerem campos de frequência na faixa de GHz para um confinamento estável, enquanto os antiprótons são tipicamente aprisionados com campos de frequência na faixa de MHz. Para o estudo atual, os pesquisadores da JGU utilizaram elétrons e íons de cálcio pesados (40 C-)como  como substitutos mais facilmente disponíveis para antiprótons e pósitrons.

Para aprisionar os íons de cálcio e os elétrons, a armadilha de Paul de dupla frequência, que está sendo desenvolvida em colaboração com o Professor Ferdinand Schmidt-Kaler da JGU, bem como com o grupo do Professor Hartmut Häffner da UC Berkeley, precisa gerar campos de frequência tanto em GHz quanto em MHz.

Hendrik Bekker e os estudantes de doutorado Vladimir Mikhailovski e Natalija Rajeshri Sheth geram esses campos sobrepondo três placas de circuito impresso (PCB) e separando-as com espaçadores de cerâmica.

A placa central está equipada com um ressonador de guia de ondas coplanar que gera o campo de frequência em GHz para aprisionar elétrons. As placas de circuito impresso superior e inferior possuem eletrodos CC segmentados usados para aplicar o campo de frequência mais baixa, em MHz, utilizado para capturar íons. Ambos os tipos de partículas são gerados pela fotoionização de átomos de cálcio neutros usando um esquema de laser de dois estágios (423 nm e 390 nm).

As partículas são então capturadas na armadilha de dupla frequência por períodos de tempo variados, de milissegundos a vários segundos, antes de serem extraídas por meio de pulsos de tensão CC e detectadas.

Bekker afirma: "Usando essa técnica, armazenamos elétrons ou íons. Capturar ambos ao mesmo tempo provou ser um desafio."

Os elétrons se mostraram altamente sensíveis à amplitude do campo de baixa frequência usado para aprisionar os íons. Quanto maior a amplitude, mais elétrons são perdidos da armadilha. Os íons, por outro lado, demonstraram ser praticamente imunes à amplitude do campo de alta frequência.

Outros desafios surgem no âmbito mecânico: a rugosidade das superfícies, os desalinhamentos mecânicos e o carregamento dielétrico limitam atualmente a eficácia da armadilha. Os equipamentos de próxima geração apresentarão eletrodos gravados a laser, mais lisos e com melhor estabilidade térmica.

O objetivo final dos pesquisadores é usar sua nova armadilha de dupla frequência para reter tanto antiprótons quanto pósitrons, a fim de combiná-los para formar anti-hidrogênio. Atualmente, a única fonte de antiprótons, e consequentemente de anti-hidrogênio, é a Fábrica de Antimatéria (AMF) do CERN, na Suíça.

Bekker afirmou: "O anti-hidrogênio é uma espécie de Santo Graal na pesquisa da antimatéria. Sua composição singularmente simples — apenas um antipróton e um pósitron — significa que podemos gerá-lo com relativa facilidade em comparação com outras formas de antimatéria." E como seu análogo, o hidrogênio, é bem estudado, as medições feitas com o anti-hidrogênio oferecem um forte ponto de comparação.

O transporte de antiprótons foi comprovado recentemente, o que aumenta a probabilidade de isso se tornar realidade. O professor Dmitry Budker está otimista, afirmando: "O sucesso recente no transporte de antiprótons usando um caminhão mostrou que entregar antiprótons a pesquisadores distantes do CERN é viável, embora ainda existam desafios técnicos a serem superados, como o resfriamento criogênico de longo prazo."

Além das suas próprias questões em aberto e desafios, o Dr. Hendrik Bekker e a sua equipa também aguardam com expectativa o trabalho científico que se desenvolverá ao longo do processo.

"Enquanto desenvolvemos ainda mais nossa armadilha, poderemos realizar uma série de experimentos fascinantes", disse Bekker. "Por exemplo, a física teórica nos diz que os pósitrons devem ser capazes de se ligar aos átomos — mesmo que por um instante muito breve. Poderemos testar essa teoria em um ambiente experimental pela primeira vez."