Korkeasti varautuneet ionit ovat yleinen aineen muoto kosmoksessa. Ne ovat niin sanottuja, koska ne ovat menettäneet monia elektroneja ja niillä on korkea positiivinen varaus. Tästä syystä uloimmat elektronit ovat voimakkaammin sitoutuneet atomin ytimeen kuin neutraaleissa tai heikosti varautuneissa atomeissa.
Tämän seurauksena voimakkaasti varautuneet ionit reagoivat vähemmän sähkömagneettisten häiriöiden ulkomaailmasta, mutta kehittää herkkyyttä sen perusvaikutuksille kvanttielektrodynamiikka, erikoissuhteellisuusteoria ja atomiydin.
Nyt Physikalisch-Technische Bundesanstaltin (PTB) QUEST-instituutin tutkijat yhteistyössä Max Planck -instituutti Nuclear Physics (MPIK) ja TU Braunschweig ja QuantumFrontiers Cluster of Excellence -ryhmä ovat toteuttaneet ensimmäistä kertaa optisen atomikellon, joka perustuu erittäin varautuneisiin ioneihin. Tämäntyyppinen ioni soveltuu tällaiseen sovellukseen, koska sillä on poikkeukselliset atomiominaisuudet ja alhainen herkkyys ulkoisille sähkömagneettisille kentille.
PTB-fyysikko Lukas Spieß sanoi, "Siksi odotimme, että an optinen atomikello erittäin varautuneiden ionien kanssa auttaisi meitä testaamaan näitä perusteorioita paremmin. Tämä toive on jo täyttynyt: Voisimme havaita kvanttielektrodynaamisen ydinrekyylin, tärkeän teoreettisen ennusteen, viiden elektronin järjestelmässä, jota ei ole saavutettu missään muussa kokeessa aiemmin.
Aiemmin tiimin piti työskennellä vuosia löytääkseen ratkaisuja tiettyihin perusongelmiin, kuten havaitsemiseen ja jäähdytykseen: Atomikelloissa hiukkasia on jäähdytettävä merkittävästi niiden pysäyttämiseksi mahdollisimman paljon ja sitten luettava niiden taajuus levossa. Mutta erittäin varautuneiden ionien tuottaminen vaatii tuotantoa erittäin kuuma plasma. Korkeavaraisia ioneja ei voida jäähdyttää suoraan laservalolla niiden poikkeuksellisen atomirakenteen vuoksi, eikä niitä voida havaita tavanomaisilla tekniikoilla.
Heidelbergin MPIK:n ja PTB:n QUEST-instituutin välinen yhteistyö ratkaisi tämän ongelman eristämällä yksittäisen erittäin varautuneen argonionin kuumasta plasmasta ja varastoimalla sen ioniloukkuun, jossa oli kertavarauksella oleva beryllium-ioni.
Tämän seurauksena erittäin varautunut ioni voidaan epäsuorasti jäähdyttää ja analysoida käyttämällä beryllium-ionia. Sitten myöhempiä kokeita varten MPIK:ssä kehitettiin paranneltu kryogeeninen ansajärjestelmä, joka valmistui PTB:ssä, mikä toteutettiin osittain oppilaiden vaihtaessa oppilaitosten välillä. Myöhemmin PTB:ssä kehitetty kvanttialgoritmi onnistui jäähdyttämään erittäin varautuneen ionin entisestään, lähelle kvanttimekaanista perustilaa. Tämä vastasi lämpötilaa 200 miljoonasosaa kelvinistä absoluuttisen nollan yläpuolella.
Tiedemiehet ottivat nyt askeleen eteenpäin: he ovat ottaneet käyttöön optisen atomikellon, joka perustuu kolmetoista kertaa varautuneisiin argon-ioneihin, ja vertasivat tikitystä PTB:n olemassa olevaan ytterbium-ionikelloon. Tämän saavuttamiseksi heidän täytyi analysoida järjestelmä perusteellisesti ymmärtääkseen asioita, kuten erittäin varautuneen ionin liike ja ulkopuolisten häiriökenttien vaikutukset. Ne saavuttivat 2 osan mittausvirheen vuonna 1017, mikä vastaa useita nykyisin käytössä olevia optisia atomikelloja.
Tutkimusryhmän johtaja Piet Schmidt sanoi, "Odotamme epävarmuuden vähentävän entisestään teknisten parannusten avulla, joiden pitäisi viedä meidät parhaiden joukkoon. atomikelloja"
Niinpä tutkijat ovat nyt käytössä olevien optisten atomikellojen lisäksi kehittäneet uuden menetelmän, joka perustuu esimerkiksi neutraaleihin strontiumatomeihin tai yksittäisiin ytterbium-ioneihin. Käytetyt tekniikat mahdollistavat monenlaisten erittäin varautuneiden ionien tutkimisen ja ovat maailmanlaajuisesti sovellettavissa.
Hiukkasfysiikan standardimallia voidaan laajentaa käyttämällä atomijärjestelmiä. Muut erittäin varautuneet ionit ovat erityisen herkkiä hienorakennevakion vaihteluille ja joillekin pimeän aineen ehdokkaille, joita tarvitaan standardimallin ulkopuolisissa teorioissa, mutta joita ei voitu havaita aikaisemmilla tekniikoilla.
Lehden viite:
- SA King, LJ Spieß, P. Micke et al: Avaa ulkoisen linkin uuteen ikkunaan Optinen atomikello, joka perustuu voimakkaasti varautuneeseen ioniin. luonto (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
