الأيونات المشحونة للغاية هي شكل شائع من المادة في الكون. تم تسميتها بهذا الاسم لأنها فقدت الكثير من الإلكترونات ولديها شحنة موجبة عالية. وهذا هو السبب في أن الإلكترونات الخارجية ترتبط بقوة أكبر بالنواة الذرية مقارنة بالذرات المحايدة أو ذات الشحنة الضعيفة.
ونتيجة لذلك، فإن الأيونات المشحونة للغاية تظهر تفاعلات أقل معها التداخل الكهرومغناطيسي من العالم الخارجي ولكنهم يطورون حساسية أكبر للتأثيرات الأساسية الديناميكا الكهربائية الكمية، النسبية الخاصة، و نواة ذرية.
الآن، باحثون في معهد QUEST في Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)، بالتعاون مع معهد ماكس بلانك للفيزياء النووية (MPIK) و TU Braunschweig ونطاق مجموعة QuantumFrontiers للتميز، قاموا لأول مرة بإنشاء ساعة ذرية بصرية تعتمد على أيونات عالية الشحنة. هذا النوع من الأيونات يفسح المجال لمثل هذا التطبيق لأنه يتمتع بخصائص ذرية غير عادية وحساسية منخفضة للمجالات الكهرومغناطيسية الخارجية.
قال الفيزيائي لوكاس سبيز من PTB: "لذلك، توقعنا أن الساعة الذرية الضوئية مع أيونات مشحونة للغاية من شأنه أن يساعدنا على اختبار هذه النظريات الأساسية بشكل أفضل. لقد تحقق هذا الأمل بالفعل: فقد تمكنا من اكتشاف الارتداد النووي الكهروديناميكي الكمي، وهو تنبؤ نظري مهم، في نظام مكون من خمسة إلكترونات، وهو ما لم يتم تحقيقه في أي تجربة أخرى من قبل.
قبل ذلك، كان على الفريق أن يعمل لسنوات لإيجاد حلول لقضايا أساسية محددة، مثل الاكتشاف والتبريد. بالنسبة للساعات الذرية، يحتاج المرء إلى تبريد الجسيمات بشكل كبير لإيقافها قدر الإمكان ثم قراءة ترددها في حالة السكون. لكن إنتاج أيونات عالية الشحنة يتطلب إنتاج بلازما ساخنة جداً. لا يمكن تبريد الأيونات عالية الشحن مباشرة باستخدام ضوء الليزر بسبب بنيتها الذرية غير العادية، كما لا يمكن اكتشافها باستخدام التقنيات التقليدية.
وقد أدى التعاون بين MPIK في هايدلبرغ ومعهد QUEST في PTB إلى حل هذه المشكلة عن طريق عزل أيون أرجون واحد مشحون للغاية من البلازما الساخنة وتخزينه في مصيدة أيونية تحتوي على أيون بيريليوم منفرد الشحنة.
ونتيجة لذلك، يمكن تبريد الأيون المشحون للغاية وتحليله بشكل غير مباشر باستخدام أيون البريليوم. ومن ثم، بالنسبة للتجارب اللاحقة، تم تطوير نظام المصيدة المبردة في MPIK وتم الانتهاء منه في PTB، والذي تم تنفيذه جزئيًا من قبل الطلاب الذين يتنقلون بين المؤسسات. وفي وقت لاحق، نجحت خوارزمية كمومية تم تطويرها في PTB في تبريد الأيون عالي الشحنة إلى أبعد من ذلك، بالقرب من الحالة الأرضية الميكانيكية الكمومية. وهذا يتوافق مع درجة حرارة 200 مليون من كلفن فوق الصفر المطلق.
اتخذ العلماء الآن خطوة إلى الأمام: فقد توصلوا إلى إنشاء ساعة ذرية بصرية تعتمد على أيونات الأرجون المشحونة بثلاثة عشر ضعفًا، وقارنوا دقاتها مع ساعة أيون الإيتربيوم الموجودة في PTB. ولتحقيق ذلك، كان عليهم إجراء تحليل شامل للنظام لفهم أشياء مثل حركة الأيونات المشحونة للغاية وتأثيرات مجالات التداخل الخارجية. لقد وصلوا إلى عدم دقة القياس بمقدار جزأين في عام 2، أي ما يعادل عدة ساعات ذرية بصرية مستخدمة الآن.
قائد مجموعة البحث بيت شميدت محمد, "نتوقع المزيد من تقليل حالة عدم اليقين من خلال التحسينات التقنية، والتي من شأنها أن تضعنا في نطاق الأفضل الساعات الذرية".
وهكذا، بالإضافة إلى الساعات الذرية الضوئية المستخدمة الآن، طور الباحثون طريقة جديدة تعتمد على ذرات السترونتيوم المحايدة أو أيونات الإيتربيوم الفردية، على سبيل المثال. تتيح التقنيات المستخدمة دراسة مجموعة واسعة من الأيونات المشحونة للغاية وقابلة للتطبيق عالميًا.
يمكن توسيع النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات باستخدام الأنظمة الذرية. الأيونات الأخرى المشحونة للغاية حساسة بشكل خاص للتغيرات في ثابت البنية الدقيقة وبعض مرشحي المادة المظلمة المطلوبة في نظريات خارج النموذج القياسي ولكن لم يكن من الممكن اكتشافها باستخدام التقنيات السابقة.
المرجع مجلة:
- SA King, LJ Spieß, P. Micke, et al: يفتح رابط خارجي في نافذة جديدة ساعة ذرية بصرية تعتمد على أيون مشحون للغاية. الطبيعة (2022)، DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
