یون های باردار بالا شکل رایج ماده در کیهان هستند. آنها به این دلیل نامیده می شوند که بسیاری از الکترون ها را از دست داده اند و بار مثبت بالایی دارند. به همین دلیل است که بیرونی‌ترین الکترون‌ها نسبت به اتم‌های خنثی یا با بار ضعیف قوی‌تر به هسته اتم متصل هستند.
در نتیجه، یون های دارای بار زیاد واکنش کمتری به آن نشان می دهند تداخل الکترومغناطیسی از دنیای خارج، اما حساسیت بیشتری نسبت به اثرات اساسی الکترودینامیک کوانتومینسبیت خاص و هسته اتمی.
اکنون، محققان موسسه QUEST در Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) با همکاری موسسه مکس پلانک برای فیزیک هسته ای (MPIK) و TU Braunschweig و محدوده خوشه برتری QuantumFrontiers، برای اولین بار یک ساعت اتمی نوری مبتنی بر یون های باردار بالا را کشف کردند. این نوع یون به دلیل داشتن خواص اتمی خارق‌العاده و حساسیت کم به میدان‌های الکترومغناطیسی خارجی، چنین کاربردهایی دارد.
لوکاس اسپیس، فیزیکدان PTB گفت: بنابراین، ما انتظار داشتیم که یک ساعت اتمی نوری با یون های بسیار باردار به ما کمک می کند تا این نظریه های اساسی را بهتر آزمایش کنیم. این امید قبلا برآورده شده است: ما می‌توانیم پس‌زدگی هسته‌ای الکترودینامیکی کوانتومی، یک پیش‌بینی نظری مهم، را در یک سیستم پنج الکترونی تشخیص دهیم، که قبلاً در هیچ آزمایش دیگری به دست نیامده بود.
پیش از این، تیم باید سال‌ها برای یافتن راه‌حل‌هایی برای مسائل اساسی خاص، مانند تشخیص و خنک‌سازی کار می‌کرد: برای ساعتهای اتمی، باید ذرات را به میزان قابل توجهی سرد کرد تا تا حد امکان متوقف شوند و سپس فرکانس آنها در حالت استراحت خوانده شود. اما تولید یون های باردار بالا مستلزم تولید یون است پلاسمای بسیار داغ. یون‌های پر بار را نمی‌توان مستقیماً با نور لیزر به دلیل ساختار اتمی خارق‌العاده‌شان خنک کرد و همچنین نمی‌توان آنها را با استفاده از تکنیک‌های مرسوم تشخیص داد.
همکاری بین MPIK در هایدلبرگ و موسسه QUEST در PTB این مشکل را با جداسازی یک یون آرگون بسیار باردار از یک پلاسمای داغ و ذخیره آن در یک تله یونی با یون بریلیم تک بار حل کرد.
در نتیجه، یون بسیار باردار را می توان به طور غیرمستقیم خنک کرد و با استفاده از یون بریلیم آنالیز کرد. سپس، برای آزمایش‌های بعدی، یک سیستم تله برودتی ارتقا یافته در MPIK توسعه یافت و در PTB به پایان رسید، که تا حدی توسط دانش‌آموزانی که بین مؤسسات سوئیچ می‌کردند انجام شد. متعاقباً، یک الگوریتم کوانتومی توسعه یافته در PTB موفق شد یون بسیار باردار را حتی بیشتر، نزدیک به حالت پایه مکانیکی کوانتومی خنک کند. این مربوط به دمای 200 میلیونیم کلوین بالای صفر مطلق است.
دانشمندان اکنون یک گام به جلو برداشتند: آنها یک ساعت اتمی نوری را بر اساس یون‌های آرگون سیزده برابر کشف کرده‌اند و تیک تاک را با ساعت یون ایتربیوم موجود در PTB مقایسه کردند. برای انجام این کار، آنها باید سیستم را به طور کامل تجزیه و تحلیل می کردند تا چیزهایی مانند حرکت یون های پر بار و تأثیرات میدان های تداخل خارجی را درک کنند. آنها در سال 2 به عدم دقت اندازه گیری 1017 قسمتی دست یافتند که معادل چندین ساعت اتمی نوری است که اکنون استفاده می شود.
رهبر گروه تحقیقاتی پیت اشمیت گفت:, ما انتظار کاهش بیشتر عدم قطعیت را از طریق بهبودهای فنی داریم که باید ما را در محدوده بهترین ها قرار دهد ساعتهای اتمی"
بنابراین، علاوه بر ساعتهای اتمی نوری که اکنون استفاده می‌شوند، محققان روش جدیدی را بر اساس اتم‌های استرانسیوم خنثی یا یون‌های ایتربیوم منفرد توسعه داده‌اند. تکنیک های به کار گرفته شده امکان مطالعه طیف گسترده ای از یون های بسیار باردار را فراهم می کند و در سطح جهانی قابل اجرا هستند.
مدل استاندارد فیزیک ذرات را می توان با استفاده از سیستم های اتمی گسترش داد. سایر یون‌های بسیار باردار به‌ویژه به تغییرات در ثابت ساختار ظریف و برخی مواد تاریک که در تئوری‌های خارج از مدل استاندارد مورد نیاز هستند، اما با تکنیک‌های قبلی غیرقابل شناسایی بودند، حساس هستند.
مرجع مجله:
- SA King، LJ Spieß، P. Micke، و همکاران: پیوند خارجی را در پنجره جدید باز می کند. یک ساعت اتمی نوری مبتنی بر یک یون بسیار باردار. طبیعت (2022)، DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
