Ion bermuatan tinggi adalah bentuk materi yang umum di alam semesta. Disebut demikian karena mereka telah kehilangan banyak elektron dan mempunyai muatan positif yang tinggi. Inilah sebabnya mengapa elektron terluar terikat lebih kuat pada inti atom dibandingkan pada atom netral atau bermuatan lemah.
Akibatnya, ion bermuatan tinggi menunjukkan lebih sedikit reaksi terhadapnya interferensi elektromagnetik dari dunia luar tetapi mengembangkan kepekaan yang lebih besar terhadap dampak mendasar dari elektrodinamika kuantum, relativitas khusus, dan inti atom.
Kini, para peneliti di QUEST Institute di Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), bekerja sama dengan Max Planck Institute untuk Fisika Nuklir (MPIK) dan TU Braunschweig serta ruang lingkup Cluster of Excellence QuantumFrontiers, untuk pertama kalinya telah merealisasikan jam atom optik berdasarkan ion bermuatan tinggi. Jenis ion ini cocok untuk penerapan semacam ini karena memiliki sifat atom yang luar biasa dan sensitivitas yang rendah terhadap medan elektromagnetik eksternal.
Fisikawan PTB Lukas Spieß berkata, “Oleh karena itu, kami mengharapkan itu jam atom optik dengan ion bermuatan tinggi akan membantu kita menguji teori dasar ini dengan lebih baik. Harapan ini telah terpenuhi: Kita dapat mendeteksi kemunduran nuklir elektrodinamik kuantum, sebuah prediksi teoretis yang penting, dalam sistem lima elektron, yang belum pernah dicapai dalam eksperimen lain sebelumnya.”
Sebelumnya, tim harus bekerja selama bertahun-tahun untuk menemukan solusi terhadap masalah mendasar tertentu, seperti deteksi dan pendinginan: Untuk jam atom, seseorang perlu mendinginkan partikel secara signifikan untuk menghentikannya sebanyak mungkin dan kemudian membaca frekuensinya saat diam. Namun menghasilkan ion bermuatan tinggi memerlukan produksi plasma yang sangat panas. Ion bermuatan tinggi tidak dapat langsung didinginkan dengan sinar laser karena struktur atomnya yang luar biasa, dan juga tidak dapat dideteksi menggunakan teknik konvensional.
Kolaborasi antara MPIK di Heidelberg dan QUEST Institute di PTB memecahkan masalah ini dengan mengisolasi satu ion argon bermuatan tinggi dari plasma panas dan menyimpannya dalam perangkap ion dengan ion berilium bermuatan tunggal.
Hasilnya, ion bermuatan tinggi dapat didinginkan secara tidak langsung dan dianalisis menggunakan ion berilium. Kemudian untuk percobaan selanjutnya dikembangkan sistem cryogenic trap yang telah diupgrade di MPIK dan diselesaikan di PTB yang sebagian pelaksanaannya dilakukan oleh mahasiswa yang berpindah antar institusi. Selanjutnya, algoritma kuantum yang dikembangkan di PTB berhasil mendinginkan ion bermuatan tinggi lebih jauh lagi, mendekati keadaan dasar mekanika kuantum. Hal ini berhubungan dengan suhu 200 sepersejuta kelvin di atas nol mutlak.
Para ilmuwan kini mengambil langkah maju: mereka telah merealisasikan jam atom optik berdasarkan ion argon bermuatan tiga belas kali lipat dan membandingkan detaknya dengan jam ion ytterbium yang ada di PTB. Untuk mencapai hal ini, mereka harus menganalisis sistem secara menyeluruh untuk memahami hal-hal seperti gerakan ion bermuatan tinggi dan dampak medan interferensi luar. Mereka mencapai ketidakakuratan pengukuran sebesar 2 bagian pada tahun 1017, setara dengan beberapa jam atom optik yang sekarang digunakan.
Pemimpin kelompok penelitian Piet Schmidt tersebut, “Kami mengharapkan pengurangan ketidakpastian lebih lanjut melalui perbaikan teknis, yang akan membawa kami ke dalam jajaran yang terbaik jam atom. "
Jadi, selain jam atom optik yang sekarang digunakan, para peneliti telah mengembangkan metode baru berdasarkan atom strontium netral atau ion ytterbium individu, misalnya. Teknik yang digunakan memungkinkan studi tentang berbagai macam ion bermuatan tinggi dan dapat diterapkan secara global.
Model Standar fisika partikel dapat diperluas dengan menggunakan sistem atom. Ion bermuatan tinggi lainnya sangat sensitif terhadap variasi konstanta struktur halus dan beberapa kandidat materi gelap yang diperlukan dalam teori di luar Model Standar tetapi tidak dapat dideteksi dengan teknik sebelumnya.
Referensi Jurnal:
- SA King, LJ Spieß, P. Micke, dkk: Membuka tautan eksternal di jendela baruJam atom optik berdasarkan ion bermuatan tinggi. Alam (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
