Les ions hautement chargés sont une forme courante de matière dans le cosmos. On les appelle ainsi parce qu'ils ont perdu beaucoup d'électrons et qu'ils ont une charge positive élevée. C'est pourquoi les électrons les plus externes sont plus fortement liés au noyau atomique que dans les atomes neutres ou faiblement chargés.
En conséquence, les ions hautement chargés réagissent moins aux interférence électromagnétique du monde extérieur mais développent une plus grande sensibilité aux effets fondamentaux de électrodynamique quantique, la relativité restreinte et la noyau atomique.
Aujourd'hui, des chercheurs de l'Institut QUEST de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), en collaboration avec le Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) et la TU Braunschweig et dans le cadre du cluster d'excellence QuantumFrontiers, ont réalisé pour la première fois une horloge atomique optique basée sur des ions hautement chargés. Ce type d'ion se prête à une telle application car il possède des propriétés atomiques extraordinaires et une faible sensibilité aux champs électromagnétiques extérieurs.
Le physicien du PTB, Lukas Spieß, a déclaré : « Par conséquent, nous nous attendions à ce qu'un horloge atomique optique avec des ions hautement chargés nous aiderait à mieux tester ces théories fondamentales. Cet espoir s'est déjà réalisé : nous pourrions détecter le recul nucléaire électrodynamique quantique, une prédiction théorique importante, dans un système à cinq électrons, ce qui n'a été réalisé dans aucune autre expérience auparavant.
Auparavant, l'équipe a dû travailler pendant des années pour trouver des solutions à des problèmes fondamentaux spécifiques, tels que la détection et le refroidissement : pour les horloges atomiques, il faut refroidir les particules de manière significative pour les arrêter autant que possible, puis lire leur fréquence au repos. Mais la production d'ions hautement chargés nécessite la production de plasma très chaud. Les ions hautement chargés ne peuvent pas être directement refroidis par la lumière laser en raison de leur structure atomique extraordinaire, et ils ne peuvent pas non plus être détectés à l'aide de techniques conventionnelles.
Une collaboration entre MPIK à Heidelberg et l'Institut QUEST de PTB a résolu ce problème en isolant un seul ion argon hautement chargé d'un plasma chaud et en le stockant dans un piège à ions avec un ion béryllium à charge unique.
En conséquence, l'ion hautement chargé peut être indirectement refroidi et analysé à l'aide de l'ion béryllium. Ensuite, pour les expériences ultérieures, un système de piège cryogénique amélioré a été développé au MPIK et terminé au PTB, qui a été réalisé en partie par des étudiants passant d'une institution à l'autre. Par la suite, un algorithme quantique développé au PTB a réussi à refroidir encore plus l'ion hautement chargé, proche de l'état fondamental de la mécanique quantique. Cela correspondait à une température de 200 millionièmes de kelvin au-dessus du zéro absolu.
Les scientifiques ont maintenant fait un pas en avant : ils ont réalisé une horloge atomique optique basée sur des ions d'argon treize fois chargés et ont comparé le tic-tac avec l'horloge à ions ytterbium existante au PTB. Pour ce faire, ils ont dû analyser en profondeur le système pour comprendre des éléments tels que le mouvement de l'ion hautement chargé et les impacts des champs d'interférence extérieurs. Ils ont atteint une imprécision de mesure de 2 parties en 1017, ce qui équivaut à plusieurs horloges atomiques optiques actuellement utilisées.
Chef de groupe de recherche Piet Schmidt a affirmé Valérie Plante., "Nous attendons une nouvelle réduction de l'incertitude grâce à des améliorations techniques, ce qui devrait nous amener dans la gamme des meilleurs horloges atomiques. »
Ainsi, en plus des horloges atomiques optiques actuellement utilisées, les chercheurs ont développé une nouvelle méthode basée sur des atomes neutres de strontium ou des ions individuels d'ytterbium, par exemple. Les techniques employées permettent l'étude d'une grande variété d'ions hautement chargés et sont applicables à l'échelle mondiale.
Le modèle standard de la physique des particules peut être étendu à l'aide de systèmes atomiques. D'autres ions hautement chargés sont particulièrement sensibles aux variations de la constante de structure fine et à certains candidats de matière noire qui sont nécessaires dans les théories en dehors du modèle standard mais qui étaient indétectables avec les techniques antérieures.
Journal de référence:
- SA King, LJ Spieß, P. Micke, et al : Ouvre un lien externe dans une nouvelle fenêtreUne horloge atomique optique basée sur un ion hautement chargé. Nature (2022), DOI : 10.1038/s41586-022-05245-4
