Sterk geladen ionen zijn een veel voorkomende vorm van materie in de kosmos. Ze worden zo genoemd omdat ze veel elektronen hebben verloren en een hoge positieve lading hebben. Dit is de reden dat de buitenste elektronen sterker aan de atoomkern gebonden zijn dan bij neutrale of zwak geladen atomen.
Als gevolg hiervan vertonen sterk geladen ionen minder reacties op elektromagnetische interferentie van de buitenwereld, maar een grotere gevoeligheid ontwikkelen voor de fundamentele effecten van kwantumelektrodynamica, speciale relativiteitstheorie, en de atoomkern.
Nu hebben onderzoekers van het QUEST Instituut van de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), in samenwerking met de Max Planck Institute voor Nuclear Physics (MPIK) en de TU Braunschweig en de reikwijdte van de QuantumFrontiers Cluster of Excellence, hebben voor het eerst een optische atoomklok gerealiseerd op basis van sterk geladen ionen. Dit type ion leent zich voor een dergelijke toepassing omdat het buitengewone atomaire eigenschappen heeft en een lage gevoeligheid voor externe elektromagnetische velden.
PTB-natuurkundige Lukas Spieß zei: “Daarom hadden we verwacht dat een optische atoomklok met sterk geladen ionen zou ons helpen deze fundamentele theorieën beter te testen. Deze hoop is al in vervulling gegaan: we zouden de kwantum-elektrodynamische nucleaire terugslag, een belangrijke theoretische voorspelling, kunnen detecteren in een vijf-elektronensysteem, wat nog niet eerder in enig ander experiment is bereikt.”
Vooraf moest het team jarenlang zoeken naar oplossingen voor specifieke fundamentele vraagstukken, zoals detectie en koeling: bij atoomklokken moet je de deeltjes flink afkoelen om ze zoveel mogelijk tegen te houden en vervolgens hun frequentie in rust uitlezen. Maar het produceren van sterk geladen ionen vereist de productie van zeer heet plasma. Hooggeladen ionen kunnen vanwege hun buitengewone atomaire structuur niet direct worden gekoeld met laserlicht, en kunnen ook niet worden gedetecteerd met conventionele technieken.
Een samenwerking tussen MPIK in Heidelberg en het QUEST Instituut van PTB loste dit probleem op door een enkel hooggeladen argonion uit een heet plasma te isoleren en dit op te slaan in een ionenval met een enkelvoudig geladen berylliumion.
Als gevolg hiervan kan het sterk geladen ion indirect worden gekoeld en geanalyseerd met behulp van het berylliumion. Vervolgens werd voor de daaropvolgende experimenten een geüpgraded cryogeen valsysteem ontwikkeld bij MPIK en voltooid bij PTB, wat gedeeltelijk werd uitgevoerd door studenten die tussen de instellingen wisselden. Vervolgens slaagde een bij PTB ontwikkeld kwantumalgoritme erin het hooggeladen ion nog verder af te koelen, dicht bij de kwantummechanische grondtoestand. Dit kwam overeen met een temperatuur die 200 miljoenste Kelvin boven het absolute nulpunt lag.
Wetenschappers hebben nu een stap voorwaarts gezet: ze hebben een optische atoomklok gerealiseerd op basis van dertienvoudig geladen argonionen en hebben de tikken vergeleken met de bestaande ytterbiumionenklok bij PTB. Om dit te bereiken moesten ze het systeem grondig analyseren om zaken als de beweging van het sterk geladen ion en de impact van externe interferentievelden te begrijpen. Ze bereikten in 2 een meetonnauwkeurigheid van 1017 delen, wat overeenkomt met verschillende optische atoomklokken die nu in gebruik zijn.
Lectoraatsleider Piet Schmidt zei, “We verwachten een verdere vermindering van de onzekerheid door technische verbeteringen, waardoor we tot de besten behoren atoomklokken. '
Zo hebben de onderzoekers, naast de optische atoomklokken die nu in gebruik zijn, een nieuwe methode ontwikkeld, gebaseerd op bijvoorbeeld neutrale strontiumatomen of individuele ytterbiumionen. De gebruikte technieken maken de studie van een grote verscheidenheid aan sterk geladen ionen mogelijk en zijn wereldwijd toepasbaar.
Het standaardmodel van de deeltjesfysica kan worden uitgebreid met atomaire systemen. Andere hooggeladen ionen zijn vooral gevoelig voor variaties in de fijne structuurconstante en voor sommige kandidaten voor donkere materie die nodig zijn in theorieën buiten het standaardmodel, maar die met eerdere technieken niet detecteerbaar waren.
Journal Reference:
- SA King, LJ Spieß, P. Micke, et al: Opent externe link in een nieuw venster Een optische atoomklok gebaseerd op een sterk geladen ion. NATUUR (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
