Hoch geladene Ionen sind eine im Kosmos häufig vorkommende Form von Materie. Sie werden so genannt, weil sie viele Elektronen verloren haben und eine hohe positive Ladung haben. Deshalb sind die äußersten Elektronen stärker an den Atomkern gebunden als in neutralen oder schwach geladenen Atomen.
Dadurch reagieren stark geladene Ionen weniger stark Elektromagnetische Interferenz von der Außenwelt, sondern entwickeln eine größere Sensibilität für die grundlegenden Auswirkungen von Quantenelektrodynamik, Spezielle Relativitätstheorie und die Atomkern.
Nun haben Forscher des QUEST-Instituts der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Zusammenarbeit mit der Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) und der TU Braunschweig sowie im Rahmen des Exzellenzclusters QuantumFrontiers haben erstmals eine optische Atomuhr auf Basis hoch geladener Ionen realisiert. Diese Art von Ionen eignet sich für eine solche Anwendung, da sie außergewöhnliche atomare Eigenschaften und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber externen elektromagnetischen Feldern aufweist.
PTB-Physiker Lukas Spieß sagte: „Daher haben wir erwartet, dass ein optische Atomuhr mit hoch geladenen Ionen würde uns helfen, diese grundlegenden Theorien besser zu testen. Diese Hoffnung hat sich bereits erfüllt: Wir konnten den quantenelektrodynamischen Kernrückstoß, eine wichtige theoretische Vorhersage, in einem Fünf-Elektronen-System nachweisen, was in keinem anderen Experiment zuvor erreicht wurde.“
Zuvor musste das Team jahrelang an Lösungen für bestimmte grundlegende Fragen wie Detektion und Kühlung arbeiten: Bei Atomuhren muss man die Teilchen stark abkühlen, um sie so weit wie möglich zu stoppen, und dann ihre Frequenz im Ruhezustand auslesen. Aber die Produktion hoch geladener Ionen erfordert die Produktion von sehr heißes Plasma. Hoch geladene Ionen können aufgrund ihrer außergewöhnlichen Atomstruktur weder direkt mit Laserlicht gekühlt noch mit herkömmlichen Techniken nachgewiesen werden.
Eine Zusammenarbeit zwischen dem MPIK in Heidelberg und dem QUEST-Institut der PTB löste dieses Problem, indem sie ein einzelnes hoch geladenes Argon-Ion aus einem heißen Plasma isolierte und es in einer Ionenfalle mit einem einfach geladenen Beryllium-Ion speicherte.
Dadurch kann das hoch geladene Ion mithilfe des Berylliumions indirekt gekühlt und analysiert werden. Für die anschließenden Experimente wurde dann am MPIK ein weiterentwickeltes Kryofallensystem entwickelt und in der PTB fertiggestellt, was teilweise von wechselnden Studierenden zwischen den Institutionen durchgeführt wurde. Anschließend gelang es einem an der PTB entwickelten Quantenalgorithmus, das hoch geladene Ion noch weiter abzukühlen, bis es in die Nähe des quantenmechanischen Grundzustands kam. Dies entsprach einer Temperatur von 200 Millionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt.
Wissenschaftler haben nun einen Schritt nach vorne gemacht: Sie haben eine optische Atomuhr auf Basis dreizehnfach geladener Argon-Ionen realisiert und das Ticken mit der in der PTB vorhandenen Ytterbium-Ionenuhr verglichen. Um dies zu erreichen, mussten sie das System gründlich analysieren, um Dinge wie die Bewegung des hoch geladenen Ions und die Auswirkungen äußerer Störfelder zu verstehen. Sie erreichten im Jahr 2 eine Messungenauigkeit von 1017 Teilen, was der Genauigkeit mehrerer heute verwendeter optischer Atomuhren entspricht.
Forschungsgruppenleiter Piet Schmidt sagte, „Wir erwarten durch technische Verbesserungen eine weitere Reduzierung der Unsicherheit, die uns in den Bereich der Besten bringen dürfte Atomuhren"
So haben die Forscher zusätzlich zu den bereits eingesetzten optischen Atomuhren eine neue Methode entwickelt, die beispielsweise auf neutralen Strontiumatomen oder einzelnen Ytterbiumionen basiert. Die eingesetzten Techniken ermöglichen die Untersuchung einer Vielzahl hoch geladener Ionen und sind weltweit anwendbar.
Das Standardmodell der Teilchenphysik kann um atomare Systeme erweitert werden. Andere hoch geladene Ionen reagieren besonders empfindlich auf Schwankungen der Feinstrukturkonstante und auf einige Kandidaten für dunkle Materie, die in Theorien außerhalb des Standardmodells benötigt werden, mit früheren Techniken jedoch nicht nachweisbar waren.
Journal Referenz:
- S. A. King, L. J. Spieß, P. Micke, et al: Öffnet externen Link in neuem FensterEine optische Atomuhr basierend auf einem hoch geladenen Ion. Natur (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
