ब्रह्मांड में अत्यधिक आवेशित आयन पदार्थ का एक सामान्य रूप है। उन्हें तथाकथित इसलिए कहा जाता है क्योंकि उन्होंने कई इलेक्ट्रॉनों को खो दिया है और एक उच्च सकारात्मक चार्ज है। यही कारण है कि सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन तटस्थ या कमजोर रूप से आवेशित परमाणुओं की तुलना में परमाणु नाभिक से अधिक मजबूती से बंधे होते हैं।
परिणामस्वरूप, अत्यधिक आवेशित आयन के प्रति कम अभिक्रिया प्रदर्शित करते हैं विद्युतचुंबकीय व्यवधान बाहरी दुनिया से लेकिन मौलिक प्रभावों के प्रति अधिक संवेदनशीलता विकसित करें क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स, विशेष सापेक्षता, और परमाणु नाभिक.
अब, फिजिकलिश-टेक्निश बुंडेसनस्टाल्ट (पीटीबी) में क्वेस्ट संस्थान के शोधकर्ता, के सहयोग से मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट न्यूक्लियर फिजिक्स (MPIK) और TU ब्राउनश्वेग और क्वांटम फ्रंटियर्स क्लस्टर ऑफ एक्सीलेंस के दायरे ने पहली बार अत्यधिक आवेशित आयनों पर आधारित एक ऑप्टिकल परमाणु घड़ी का एहसास किया है। इस प्रकार का आयन खुद को इस तरह के अनुप्रयोग के लिए उधार देता है क्योंकि इसमें असाधारण परमाणु गुण होते हैं और बाहरी विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों के प्रति कम संवेदनशीलता होती है।
पीटीबी भौतिक विज्ञानी लुकास स्पीक ने कहा, "इसलिए, हमें उम्मीद थी कि एक ऑप्टिकल परमाणु घड़ी अत्यधिक आवेशित आयनों से हमें इन मूलभूत सिद्धांतों का बेहतर परीक्षण करने में मदद मिलेगी। यह आशा पहले ही पूरी हो चुकी है: हम पांच-इलेक्ट्रॉन प्रणाली में क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक परमाणु पुनरावृत्ति, एक महत्वपूर्ण सैद्धांतिक भविष्यवाणी का पता लगा सकते हैं, जिसे पहले किसी अन्य प्रयोग में हासिल नहीं किया गया है।
पहले से, टीम को विशिष्ट मूलभूत मुद्दों के समाधान खोजने के लिए वर्षों तक काम करना पड़ा, जैसे कि पता लगाना और ठंडा करना: परमाणु घड़ियों के लिए, जितना संभव हो सके कणों को रोकने के लिए कणों को ठंडा करने की आवश्यकता होती है और फिर आराम से उनकी आवृत्ति को पढ़ना पड़ता है। लेकिन अत्यधिक आवेशित आयनों के उत्पादन के लिए के उत्पादन की आवश्यकता होती है बहुत गर्म प्लाज्मा. उच्च-आवेशित आयनों को उनकी असाधारण परमाणु संरचना के कारण सीधे लेजर प्रकाश से ठंडा नहीं किया जा सकता है, न ही पारंपरिक तकनीकों का उपयोग करके उनका पता लगाया जा सकता है।
हीडलबर्ग में MPIK और PTB में QUEST संस्थान के बीच एक सहयोग ने एक अत्यधिक चार्ज किए गए आर्गन आयन को एक गर्म प्लाज्मा से अलग करके और इसे एक आयन ट्रैप में एकल चार्ज किए गए बेरिलियम आयन के साथ संग्रहीत करके इस समस्या को हल किया।
नतीजतन, अत्यधिक चार्ज किए गए आयन को बेरिलियम आयन का उपयोग करके अप्रत्यक्ष रूप से ठंडा और विश्लेषण किया जा सकता है। फिर, बाद के प्रयोगों के लिए, एमपीआईके में एक उन्नत क्रायोजेनिक ट्रैप सिस्टम विकसित किया गया और पीटीबी में समाप्त किया गया, जिसे आंशिक रूप से संस्थानों के बीच स्विच करने वाले छात्रों द्वारा किया गया था। इसके बाद, पीटीबी में विकसित एक क्वांटम एल्गोरिथम क्वांटम मैकेनिकल ग्राउंड स्टेट के करीब, अत्यधिक चार्ज किए गए आयन को और भी ठंडा करने में सफल रहा। यह निरपेक्ष शून्य से ऊपर केल्विन के 200 मिलियनवें तापमान के अनुरूप था।
वैज्ञानिकों ने अब एक कदम आगे बढ़ाया है: उन्होंने तेरह गुना चार्ज आर्गन आयनों पर आधारित एक ऑप्टिकल परमाणु घड़ी का एहसास किया है और पीटीबी में मौजूदा यटरबियम आयन घड़ी के साथ टिक की तुलना की है। इसे पूरा करने के लिए, उन्हें अत्यधिक आवेशित आयन की गति और बाहरी हस्तक्षेप क्षेत्रों के प्रभावों जैसी चीजों को समझने के लिए सिस्टम का गहन विश्लेषण करना पड़ा। उन्होंने 2 में 1017 भागों की माप अशुद्धि प्राप्त की, जो अब उपयोग में आने वाली कई ऑप्टिकल परमाणु घड़ियों के बराबर है।
अनुसंधान समूह के नेता पीट श्मिट कहा, "हम तकनीकी सुधारों के माध्यम से अनिश्चितता में और कमी की उम्मीद करते हैं, जो हमें सर्वश्रेष्ठ श्रेणी में लाना चाहिए" परमाणु घड़ियों".
इस प्रकार, अब उपयोग में आने वाली ऑप्टिकल परमाणु घड़ियों के अलावा, शोधकर्ताओं ने तटस्थ स्ट्रोंटियम परमाणुओं या व्यक्तिगत येटरबियम आयनों के आधार पर एक नई विधि विकसित की है, उदाहरण के लिए। नियोजित तकनीकें अत्यधिक आवेशित आयनों की एक विस्तृत विविधता के अध्ययन को सक्षम बनाती हैं और विश्व स्तर पर लागू होती हैं।
कण भौतिकी के मानक मॉडल को परमाणु प्रणालियों का उपयोग करके बढ़ाया जा सकता है। अन्य अत्यधिक आवेशित आयन विशेष रूप से महीन संरचना स्थिरांक में भिन्नता के प्रति संवेदनशील होते हैं और कुछ डार्क मैटर उम्मीदवारों के लिए जो मानक मॉडल के बाहर के सिद्धांतों में आवश्यक होते हैं, लेकिन पहले की तकनीकों के साथ ज्ञानी नहीं थे।
जर्नल संदर्भ:
- एसए किंग, एलजे स्पीआ, पी. मिकी, एट अल: नई विंडो में बाहरी लिंक खोलता हैएक अत्यधिक चार्ज आयन पर आधारित एक ऑप्टिकल परमाणु घड़ी। प्रकृति (2022), डीओआई: 10.1038/s41586-022-05245-4
