Gli ioni altamente carichi sono una forma comune di materia nel cosmo. Sono così chiamati perché hanno perso molti elettroni e hanno un'elevata carica positiva. Questo è il motivo per cui gli elettroni più esterni sono legati più fortemente al nucleo atomico rispetto agli atomi neutri o con carica debole.
Di conseguenza, gli ioni altamente carichi mostrano meno reazioni interferenza elettromagnetica dal mondo esterno ma sviluppare una maggiore sensibilità agli effetti fondamentali del elettrodinamica quantistica, relatività speciale e nucleo atomico.
Ora, i ricercatori del QUEST Institute del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), in collaborazione con il Istituto Max Planck di Fisica Nucleare (MPIK) e TU Braunschweig e nell'ambito del Cluster of Excellence QuantumFrontiers, hanno realizzato per la prima volta un orologio atomico ottico basato su ioni altamente carichi. Questo tipo di ione si presta a tale applicazione perché ha proprietà atomiche straordinarie e bassa sensibilità ai campi elettromagnetici esterni.
Il fisico del PTB Lukas Spieß ha detto: “Pertanto, ci aspettavamo che un orologio atomico ottico con ioni altamente carichi ci aiuterebbe a testare meglio queste teorie fondamentali. Questa speranza è già stata soddisfatta: potremmo rilevare il rinculo nucleare elettrodinamico quantistico, un’importante previsione teorica, in un sistema a cinque elettroni, che non è stato ottenuto prima in nessun altro esperimento”.
In precedenza, il team ha dovuto lavorare per anni per trovare soluzioni a specifici problemi fondamentali, come il rilevamento e il raffreddamento: per gli orologi atomici, è necessario raffreddare notevolmente le particelle per fermarle il più possibile e quindi leggere la loro frequenza a riposo. Ma produrre ioni altamente carichi richiede la produzione di plasma molto caldo. Gli ioni ad alta carica non possono essere raffreddati direttamente con la luce laser a causa della loro straordinaria struttura atomica, né possono essere rilevati utilizzando tecniche convenzionali.
Una collaborazione tra MPIK di Heidelberg e il QUEST Institute di PTB ha risolto questo problema isolando un singolo ione di argon altamente carico da un plasma caldo e immagazzinandolo in una trappola ionica con uno ione berillio caricato singolarmente.
Di conseguenza, lo ione altamente carico può essere raffreddato indirettamente e analizzato utilizzando lo ione berillio. Quindi, per gli esperimenti successivi, un sistema di trappole criogeniche aggiornato è stato sviluppato presso MPIK e completato presso PTB, il che è stato realizzato in parte da studenti che si sono spostati da un istituto all'altro. Successivamente, un algoritmo quantistico sviluppato presso il PTB è riuscito a raffreddare ulteriormente lo ione altamente carico, vicino allo stato fondamentale della meccanica quantistica. Ciò corrispondeva a una temperatura di 200 milionesimi di Kelvin sopra lo zero assoluto.
Gli scienziati ora hanno fatto un passo avanti: hanno realizzato un orologio atomico ottico basato su ioni di argon caricati tredici volte e hanno confrontato il ticchettio con l'orologio a ioni di itterbio esistente al PTB. Per raggiungere questo obiettivo, hanno dovuto analizzare a fondo il sistema per comprendere aspetti come il movimento degli ioni altamente carichi e gli impatti dei campi di interferenza esterni. Nel 2 raggiunsero un'imprecisione di misurazione di 1017 parti, equivalente a diversi orologi atomici ottici attualmente in uso.
Responsabile del gruppo di ricerca Piet Schmidt disse, “Ci aspettiamo un’ulteriore riduzione dell’incertezza attraverso miglioramenti tecnici, che dovrebbero portarci nella fascia dei migliori orologi atomici. "
Così, oltre agli orologi atomici ottici attualmente in uso, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo basato, ad esempio, su atomi di stronzio neutri o singoli ioni di itterbio. Le tecniche impiegate consentono lo studio di un'ampia varietà di ioni altamente carichi e sono applicabili a livello globale.
Il Modello Standard della fisica delle particelle può essere esteso utilizzando i sistemi atomici. Altri ioni altamente carichi sono particolarmente sensibili alle variazioni della costante di struttura fine e ad alcuni candidati della materia oscura necessari nelle teorie esterne al Modello Standard ma che non erano rilevabili con le tecniche precedenti.
Riferimento della Gazzetta:
- SA King, LJ Spieß, P. Micke, et al: Apre il collegamento esterno in una nuova finestraUn orologio atomico ottico basato su uno ione altamente carico. Natura (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
