Az erősen töltött ionok az anyag gyakori formája a kozmoszban. Azért nevezik őket, mert sok elektront veszítettek, és nagy pozitív töltésük van. Ez az oka annak, hogy a legkülső elektronok erősebben kötődnek az atommaghoz, mint a semleges vagy gyengén töltött atomokban.
Ennek eredményeként a nagy töltésű ionok kevésbé reagálnak elektromágneses interferencia a külvilágtól, de nagyobb érzékenységet alakítanak ki az alapvető hatások iránt kvantum elektrodinamika, speciális relativitáselmélet, és a atommag.
Most a Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) QUEST Intézetének kutatói, együttműködve a Max Planck Intézet A Nuclear Physics (MPIK) és a TU Braunschweig és a QuantumFrontiers Cluster of Excellence hatóköre először valósított meg egy nagy töltésű ionokon alapuló optikai atomórát. Az ilyen típusú ionok azért alkalmasak erre az alkalmazásra, mert rendkívüli atomi tulajdonságokkal és alacsony érzékenységgel rendelkeznek a külső elektromágneses mezőkre.
Lukas Spieß, a PTB fizikusa azt mondta: „Ezért arra számítottunk, hogy an optikai atomóra A nagy töltésű ionok segítségével jobban ellenőrizhetjük ezeket az alapvető elméleteket. Ez a remény már beteljesült: a kvantumelektrodinamikai nukleáris visszarúgást, egy fontos elméleti előrejelzést egy ötelektronos rendszerben detektálhatnánk, ami korábban egyetlen más kísérletben sem sikerült.”
Korábban a csapatnak évekig kellett dolgoznia, hogy megoldást találjon bizonyos alapvető problémákra, mint például az észlelés és a hűtés: Az atomórák esetében jelentősen le kell hűteni a részecskéket, hogy a lehető legjobban megállítsák őket, majd le kell olvasni a frekvenciájukat nyugalmi állapotban. A nagy töltésű ionok előállításához azonban elő kell állítani nagyon forró plazma. A nagy töltésű ionok rendkívüli atomszerkezetük miatt nem hűthetők közvetlenül lézerfénnyel, és hagyományos technikákkal sem detektálhatók.
A heidelbergi MPIK és a PTB QUEST Institute együttműködése megoldotta ezt a problémát úgy, hogy egyetlen nagy töltésű argoniont izoláltak egy forró plazmából, és egy egyszeres töltésű berilliumionnal ioncsapdában tárolták.
Ennek eredményeként a nagy töltésű ion közvetetten lehűthető és a berillium ion segítségével elemezhető. Majd a későbbi kísérletekhez az MPIK-ben egy továbbfejlesztett kriogén csapdarendszert fejlesztettek ki, a PTB-ben pedig elkészültek, amit részben az intézmények közötti váltásokkal végeztek el. Ezt követően a PTB-nél kifejlesztett kvantum-algoritmusnak sikerült a nagy töltésű iont még tovább hűteni, közel a kvantummechanikai alapállapothoz. Ez egy kelvin 200 milliomod részével az abszolút nulla feletti hőmérsékletnek felelt meg.
A tudósok most egy lépést tettek előre: létrehoztak egy tizenháromszoros töltésű argonionokon alapuló optikai atomórát, és összehasonlították a ketyegést a PTB-nél meglévő itterbium-ion órával. Ennek eléréséhez alaposan elemezni kellett a rendszert, hogy megértsék az olyan dolgokat, mint az erősen töltött ion mozgása és a külső interferenciamezők hatásai. 2-ben 1017 rész mérési pontatlanságot értek el, ami több jelenleg használatos optikai atomórának felel meg.
Piet Schmidt kutatócsoport vezetője mondott, „A bizonytalanság további mérséklésére számítunk a technikai fejlesztések révén, amelyek a legjobbak közé kerülhetnek. atomórák. "
Így a most használatos optikai atomórák mellett a kutatók egy új módszert is kidolgoztak, amely például semleges stroncium atomokra vagy egyedi itterbium-ionokra épül. Az alkalmazott technikák sokféle nagy töltésű ion tanulmányozását teszik lehetővé, és globálisan alkalmazhatók.
A részecskefizika standard modellje atomrendszerekkel bővíthető. Más nagy töltésű ionok különösen érzékenyek a finomszerkezeti állandó változásaira és néhány sötét anyag jelöltre, amelyek a Standard Modellen kívüli elméletekben szükségesek, de a korábbi technikákkal nem voltak kimutathatók.
Journal Reference:
- SA King, LJ Spieß, P. Micke és társai: Külső hivatkozást nyit meg új ablakbanEgy nagy töltésű ionon alapuló optikai atomóra. Természet (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
