Højt ladede ioner er en almindelig form for stof i kosmos. De er såkaldte, fordi de har mistet mange elektroner og har en høj positiv ladning. Det er derfor, de yderste elektroner er stærkere bundet til atomkernen end i neutrale eller svagt ladede atomer.
Som et resultat udviser højt ladede ioner færre reaktioner på elektromagnetisk interferens fra omverdenen, men udvikler større følsomhed over for de grundlæggende virkninger af kvanteelektrodynamik, speciel relativitetsteori og atomkerne.
Nu er forskere ved QUEST Institute ved Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) i samarbejde med Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) og TU Braunschweig og omfanget af QuantumFrontiers Cluster of Excellence, har for første gang realiseret et optisk atomur baseret på højt ladede ioner. Denne type ion egner sig til en sådan anvendelse, fordi den har ekstraordinære atomare egenskaber og lav følsomhed over for eksterne elektromagnetiske felter.
PTB-fysiker Lukas Spieß sagde: "Derfor forventede vi, at en optisk atomur med højt ladede ioner ville hjælpe os med at teste disse fundamentale teorier bedre. Dette håb er allerede blevet opfyldt: Vi kunne detektere det kvanteelektrodynamiske nukleare rekyl, en vigtig teoretisk forudsigelse, i et fem-elektronsystem, som ikke er blevet opnået i noget andet eksperiment før."
På forhånd skulle holdet arbejde i årevis for at finde løsninger på specifikke fundamentale problemer, såsom detektion og afkøling: For atomure skal man afkøle partiklerne betydeligt for at stoppe dem så meget som muligt og derefter aflæse deres frekvens i hvile. Men at producere højt ladede ioner kræver produktion af meget varmt plasma. Højladede ioner kan ikke direkte afkøles med laserlys på grund af deres ekstraordinære atomare struktur, og de kan heller ikke detekteres ved hjælp af konventionelle teknikker.
Et samarbejde mellem MPIK i Heidelberg og QUEST Instituttet ved PTB løste dette problem ved at isolere en enkelt højt ladet argonion fra et varmt plasma og opbevare det i en ionfælde med en enkeltladet berylliumion.
Som et resultat kan den højt ladede ion indirekte afkøles og analyseres ved hjælp af beryllium-ionen. Derefter blev der til de efterfølgende forsøg udviklet et opgraderet kryogent fældesystem på MPIK og færdiggjort på PTB, hvilket dels blev udført ved at studerende skiftede mellem institutionerne. Efterfølgende lykkedes det en kvantealgoritme udviklet ved PTB at køle den højt ladede ion yderligere tæt på den kvantemekaniske grundtilstand. Dette svarede til en temperatur på 200 milliontedele kelvin over det absolutte nulpunkt.
Forskere tog nu et skridt fremad: de har realiseret et optisk atomur baseret på tretten gange ladede argon-ioner og sammenlignet tikken med det eksisterende ytterbium-ion-ur ved PTB. For at opnå dette var de nødt til at analysere systemet grundigt for at forstå ting som den højt ladede ions bevægelse og påvirkningerne af eksterne interferensfelter. De opnåede en måleunøjagtighed på 2 dele i 1017, svarende til flere optiske atomure, der nu er i brug.
Forskningsgruppeleder Piet Schmidt sagde, ”Vi forventer en yderligere reduktion af usikkerheden gennem tekniske forbedringer, som burde bringe os i rækken af de bedste atomur".
Ud over de optiske atomure, der nu er i brug, har forskerne således udviklet en ny metode baseret på eksempelvis neutrale strontiumatomer eller individuelle ytterbium-ioner. De anvendte teknikker muliggør studiet af en bred vifte af højt ladede ioner og er globalt anvendelige.
Standardmodellen for partikelfysik kan udvides ved hjælp af atomare systemer. Andre højt ladede ioner er særligt følsomme over for variationer i den fine strukturkonstant og over for nogle mørkt stofkandidater, som er nødvendige i teorier uden for standardmodellen, men som ikke kunne påvises med tidligere teknikker.
Journal Reference:
- SA King, LJ Spieß, P. Micke, et al: Åbner eksternt link i nyt vindue Et optisk atomur baseret på en højt ladet ion. Natur (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
