高度に荷電したイオンは、宇宙に存在する一般的な物質の形態です。 多くの電子を失い、高い正電荷を持っているため、このように呼ばれます。 これが、最外殻の電子が中性または弱く荷電した原子よりも原子核に強く結合する理由です。
その結果、高度に帯電したイオンは、次のような反応を示します。 電磁妨害 外の世界からの影響を受けますが、その根本的な影響に対してより敏感になります。 量子電気力学、特殊相対性理論、そして 原子核.
現在、物理技術連邦 (PTB) の QUEST 研究所の研究者らは、 マックスプランク研究所 核物理学研究部門 (MPIK)、ブラウンシュヴァイク工科大学、および量子フロンティアズ クラスター オブ エクセレンスの範囲により、高荷電イオンに基づく光原子時計が初めて実現されました。 このタイプのイオンは、並外れた原子特性と外部電磁場に対する感度が低いため、このような用途に適しています。
PTBの物理学者ルーカス・シュピース氏はこう語った。 「したがって、私たちは次のことを期待していました。 光原子時計 高度に荷電したイオンを使用すると、これらの基本理論をより適切にテストするのに役立ちます。 この希望はすでに実現しています。重要な理論的予測である量子電気力学核反動を XNUMX 電子系で検出できますが、これは他のどの実験でも達成されていません。」
それに先立ち、チームは検出や冷却などの特定の基本的な問題の解決策を見つけるために何年にもわたって取り組む必要がありました。原子時計の場合、粒子を大幅に冷却して粒子を可能な限り停止させ、その後、静止した状態でその周波数を読み取る必要があります。 しかし、高度に荷電したイオンを生成するには、 非常に熱いプラズマ。 高荷電イオンは、その異常な原子構造のためレーザー光で直接冷却することができず、従来の技術を使用して検出することもできません。
ハイデルベルクの MPIK と PTB の QUEST 研究所の共同研究では、単一の高電荷アルゴン イオンを高温プラズマから分離し、一価のベリリウム イオンとともにイオン トラップに保管することで、この問題を解決しました。
これにより、高電荷イオンをベリリウムイオンを用いて間接的に冷却し、分析することが可能となる。 その後、その後の実験のために、アップグレードされた極低温トラップ システムが MPIK で開発され、PTB で完成しました。このシステムの一部は、学生が機関を切り替えながら実施されました。 その後、PTB で開発された量子アルゴリズムは、高度に荷電したイオンをさらに冷却し、量子力学的基底状態に近づけることに成功しました。 これは、絶対零度より 200 億分の XNUMX ケルビン高い温度に相当します。
科学者たちは今、一歩前進しました。彼らは、2 倍に荷電したアルゴンイオンに基づく光原子時計を実現し、PTB での既存のイッテルビウム イオン時計と時を比較しました。 これを達成するには、システムを徹底的に分析して、高電荷イオンの動きや外部干渉場の影響などを理解する必要がありました。 1017 年には測定誤差 XNUMX 倍を達成しました。これは、現在使用されている光原子時計数台に相当します。
研究グループリーダー ピート・シュミット と, 「技術的な改善を通じて不確実性がさらに軽減されることを期待しており、それによって最良の範囲に到達できるはずです」 原子時計に設立された地域オフィスに加えて、さらにローカルカスタマーサポートを提供できるようになります。」
そこで、現在使用されている光原子時計に加えて、研究者らは、例えば中性のストロンチウム原子や個々のイッテルビウムイオンに基づく新しい方法を開発した。 採用された技術により、さまざまな高度に荷電したイオンの研究が可能になり、世界的に応用可能です。
素粒子物理学の標準モデルは、原子システムを使用して拡張できます。 他の高度に荷電したイオンは、微細構造定数の変動や、標準模型以外の理論で必要とされるが以前の技術では検出できなかった一部の暗黒物質候補に特に敏感です。
ジャーナルリファレンス：
- SA King、LJ Spieß、P. Micke、他: 新しいウィンドウで外部リンクを開きます高電荷イオンに基づく光原子時計。 自然 (2022)、DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
