Τα πολύ φορτισμένα ιόντα είναι μια κοινή μορφή ύλης στον κόσμο. Ονομάζονται επειδή έχουν χάσει πολλά ηλεκτρόνια και έχουν υψηλό θετικό φορτίο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα εξώτατα ηλεκτρόνια συνδέονται πιο ισχυρά με τον ατομικό πυρήνα παρά σε ουδέτερα ή ασθενώς φορτισμένα άτομα.
Ως αποτέλεσμα, τα πολύ φορτισμένα ιόντα παρουσιάζουν λιγότερες αντιδράσεις σε ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή από τον έξω κόσμο, αλλά αναπτύσσουν μεγαλύτερη ευαισθησία στις θεμελιώδεις επιπτώσεις του κβαντική ηλεκτροδυναμική, ειδική σχετικότητα, και το ατομικό πυρήνα.
Τώρα, ερευνητές στο Ινστιτούτο QUEST στο Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Max Planck για την Πυρηνική Φυσική (MPIK) και το TU Braunschweig και το πεδίο εφαρμογής του QuantumFrontiers Cluster of Excellence, πραγματοποίησαν για πρώτη φορά ένα οπτικό ατομικό ρολόι βασισμένο σε πολύ φορτισμένα ιόντα. Αυτός ο τύπος ιόντων προσφέρεται για μια τέτοια εφαρμογή επειδή έχει εξαιρετικές ατομικές ιδιότητες και χαμηλή ευαισθησία στα εξωτερικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία.
Ο φυσικός PTB Lukas Spieß είπε, «Ως εκ τούτου, περιμέναμε ότι ένα οπτικό ατομικό ρολόι με πολύ φορτισμένα ιόντα θα μας βοηθούσε να δοκιμάσουμε καλύτερα αυτές τις θεμελιώδεις θεωρίες. Αυτή η ελπίδα έχει ήδη εκπληρωθεί: Θα μπορούσαμε να ανιχνεύσουμε την κβαντική ηλεκτροδυναμική πυρηνική ανάκρουση, μια σημαντική θεωρητική πρόβλεψη, σε ένα σύστημα πέντε ηλεκτρονίων, που δεν έχει επιτευχθεί σε κανένα άλλο πείραμα στο παρελθόν».
Προηγουμένως, η ομάδα χρειάστηκε να εργαστεί για χρόνια για να βρει λύσεις σε συγκεκριμένα θεμελιώδη ζητήματα, όπως η ανίχνευση και η ψύξη: Για τα ατομικά ρολόγια, πρέπει κανείς να κρυώσει σημαντικά τα σωματίδια για να τα σταματήσει όσο το δυνατόν περισσότερο και στη συνέχεια να διαβάσει τη συχνότητά τους σε ηρεμία. Αλλά η παραγωγή ιόντων με υψηλή φόρτιση απαιτεί την παραγωγή πολύ ζεστό πλάσμα. Τα ιόντα υψηλού φορτίου δεν μπορούν να ψυχθούν απευθείας με το φως λέιζερ λόγω της εξαιρετικής ατομικής τους δομής, ούτε μπορούν να ανιχνευθούν χρησιμοποιώντας συμβατικές τεχνικές.
Μια συνεργασία μεταξύ του MPIK στη Χαϊδελβέργη και του Ινστιτούτου QUEST στο PTB έλυσε αυτό το πρόβλημα απομονώνοντας ένα πολύ φορτισμένο ιόν αργού από ένα καυτό πλάσμα και αποθηκεύοντάς το σε μια παγίδα ιόντων με ένα μονοφορτισμένο ιόν βηρυλλίου.
Ως αποτέλεσμα, το πολύ φορτισμένο ιόν μπορεί έμμεσα να ψυχθεί και να αναλυθεί χρησιμοποιώντας το ιόν βηρυλλίου. Στη συνέχεια, για τα επόμενα πειράματα, αναπτύχθηκε ένα αναβαθμισμένο σύστημα κρυογονικής παγίδας στο MPIK και ολοκληρώθηκε στο PTB, το οποίο πραγματοποιήθηκε εν μέρει από φοιτητές που εναλλάσσονταν μεταξύ των ιδρυμάτων. Στη συνέχεια, ένας κβαντικός αλγόριθμος που αναπτύχθηκε στο PTB πέτυχε να ψύξει το πολύ φορτισμένο ιόν ακόμη περισσότερο, κοντά στην κβαντομηχανική θεμελιώδη κατάσταση. Αυτό αντιστοιχούσε σε θερμοκρασία 200 εκατομμυριοστά του Κέλβιν πάνω από το απόλυτο μηδέν.
Οι επιστήμονες έκαναν τώρα ένα βήμα προς τα εμπρός: συνειδητοποίησαν ένα οπτικό ατομικό ρολόι βασισμένο σε δεκατρία φορτισμένα ιόντα αργού και συνέκριναν το τικ με το υπάρχον ρολόι ιόντων υττερβίου στο PTB. Για να το πετύχουν αυτό, έπρεπε να αναλύσουν διεξοδικά το σύστημα για να κατανοήσουν πράγματα όπως η κίνηση των ιόντων με υψηλή φόρτιση και οι επιπτώσεις των εξωτερικών πεδίων παρεμβολής. Πέτυχαν ανακρίβεια μέτρησης 2 μερών το 1017, που ισοδυναμεί με πολλά οπτικά ατομικά ρολόγια που χρησιμοποιούνται τώρα.
Ο επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας Piet Schmidt είπε, «Αναμένουμε περαιτέρω μείωση της αβεβαιότητας μέσω τεχνικών βελτιώσεων, οι οποίες θα πρέπει να μας φέρουν στη γκάμα των καλύτερων ατομικά ρολόγια. "
Έτσι, εκτός από τα οπτικά ατομικά ρολόγια που χρησιμοποιούνται τώρα, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο που βασίζεται σε ουδέτερα άτομα στροντίου ή μεμονωμένα ιόντα υττερβίου, για παράδειγμα. Οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται επιτρέπουν τη μελέτη μιας μεγάλης ποικιλίας ιόντων υψηλής φόρτισης και είναι παγκοσμίως εφαρμόσιμες.
Το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής μπορεί να επεκταθεί χρησιμοποιώντας ατομικά συστήματα. Άλλα πολύ φορτισμένα ιόντα είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στις διακυμάνσεις της σταθεράς της λεπτής δομής και σε ορισμένες υποψήφιες για σκοτεινή ύλη που χρειάζονται σε θεωρίες εκτός του Καθιερωμένου Μοντέλου αλλά δεν ήταν ανιχνεύσιμα με προηγούμενες τεχνικές.
Αναφορά στο περιοδικό:
- SA King, LJ Spieß, P. Micke, et al: Ανοίγει τον εξωτερικό σύνδεσμο σε νέο παράθυροΈνα οπτικό ατομικό ρολόι που βασίζεται σε ένα πολύ φορτισμένο ιόν. Φύση (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
