יונים טעונים מאוד הם צורה נפוצה של חומר בקוסמוס. הם נקראים כי הם איבדו אלקטרונים רבים ויש להם מטען חיובי גבוה. זו הסיבה שהאלקטרונים החיצוניים קשורים חזק יותר לגרעין האטום מאשר באטומים ניטרליים או בעלי מטען חלש.
כתוצאה מכך, יונים טעונים מאוד מפגינים פחות תגובות הפרעה אלקטרומגנטית מהעולם החיצון אך מפתחים רגישות רבה יותר להשפעות היסודיות של אלקטרודינמיקה קוונטית, תורת היחסות הפרטית, וה גרעין אטום.
כעת, חוקרים במכון QUEST ב-Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), בשיתוף עם מקס פלנק המכון לפיזיקה גרעינית (MPIK) וה-TU Braunschweig וההיקף של QuantumFrontiers Cluster of Excellence, הבינו לראשונה שעון אטומי אופטי המבוסס על יונים טעונים מאוד. סוג זה של יון מתאים ליישום כזה מכיוון שיש לו תכונות אטומיות יוצאות דופן ורגישות נמוכה לשדות אלקטרומגנטיים חיצוניים.
פיסיקאי PTB לוקאס שפייס אמר, "לכן, ציפינו שא שעון אטומי אופטי עם יונים טעונים מאוד יעזור לנו לבדוק טוב יותר את התיאוריות הבסיסיות הללו. התקווה הזו כבר התגשמה: נוכל לזהות את הרתע הגרעיני האלקטרודינמי הקוונטי, תחזית תיאורטית חשובה, במערכת של חמישה אלקטרונים, שלא הושגה באף ניסוי אחר קודם לכן".
לפני כן, הצוות היה צריך לעבוד במשך שנים כדי למצוא פתרונות לבעיות יסוד ספציפיות, כמו זיהוי וקירור: עבור שעונים אטומיים, צריך לצנן את החלקיקים באופן משמעותי כדי לעצור אותם ככל האפשר ואז לקרוא את התדירות שלהם במנוחה. אבל ייצור יונים טעונים מאוד דורש ייצור של פלזמה חמה מאוד. לא ניתן לקרר ישירות יונים טעונים באור לייזר בשל המבנה האטומי יוצא הדופן שלהם, וגם לא ניתן לזהות אותם באמצעות טכניקות קונבנציונליות.
שיתוף פעולה בין MPIK בהיידלברג ומכון QUEST ב-PTB פתר בעיה זו על ידי בידוד יון ארגון יחיד טעון גבוה מפלזמה חמה ואחסונו במלכודת יונים עם יון בריליום חד פעמי.
כתוצאה מכך, ניתן לקרר ולנתח את היון הטעון מאוד בעקיפין באמצעות יון הבריליום. לאחר מכן, עבור הניסויים הבאים, פותחה מערכת מלכודות קריוגנית משודרגת ב-MPIK והסתיימה ב-PTB, שבוצעה בחלקה על ידי סטודנטים שעברו בין המוסדות. לאחר מכן, אלגוריתם קוונטי שפותח ב-PTB הצליח לקרר עוד יותר את היון הטעון מאוד, קרוב למצב הקרקע המכני הקוונטי. זה תואם לטמפרטורה של 200 מיליוניות הקלווין מעל האפס המוחלט.
מדענים עשו כעת צעד קדימה: הם הבינו שעון אטומי אופטי המבוסס על יוני ארגון טעונים פי שלושה עשר והשוו את התקתוק עם שעון יוני האיטרביום הקיים ב-PTB. כדי להשיג זאת, הם היו צריכים לנתח ביסודיות את המערכת כדי להבין דברים כמו תנועת היון הטעון מאוד וההשפעות של שדות הפרעה חיצוניים. הם השיגו אי דיוק מדידה של 2 חלקים בשנת 1017, שווה ערך למספר שעונים אטומיים אופטיים שנמצאים כעת בשימוש.
ראש קבוצת המחקר פיט שמידט אמר, "אנו מצפים להפחתה נוספת של אי הוודאות באמצעות שיפורים טכניים, שאמורים להביא אותנו לטווח הטובים ביותר שעונים אטומיים".
כך, בנוסף לשעונים האטומיים האופטיים הנמצאים כעת בשימוש, החוקרים פיתחו שיטה חדשה המבוססת על אטומי סטרונציום ניטרליים או יוני איטרביום בודדים, למשל. הטכניקות המופעלות מאפשרות לימוד של מגוון רחב של יונים טעונים מאוד והן ישימות ברחבי העולם.
ניתן להרחיב את המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים באמצעות מערכות אטומיות. יונים אחרים בעלי מטען גבוה רגישים במיוחד לשינויים בקבוע המבנה העדין ולכמה מועמדים לחומר אפל הנחוצים בתיאוריות מחוץ למודל הסטנדרטי, אך לא ניתן היה לזהות בטכניקות קודמות.
עיון ביומן:
- SA King, LJ Spieß, P. Micke, et al: נפתח קישור חיצוני בחלון חדש שעון אטומי אופטי המבוסס על יון טעון מאוד. טבע (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
