Høyt ladede ioner er en vanlig form for materie i kosmos. De er såkalte fordi de har mistet mange elektroner og har høy positiv ladning. Dette er grunnen til at de ytterste elektronene er sterkere bundet til atomkjernen enn i nøytrale eller svakt ladede atomer.
Som et resultat utviser høyt ladede ioner mindre reaksjoner på elektromagnetiske forstyrrelser fra omverdenen, men utvikle større følsomhet for de grunnleggende effektene av kvanteelektrodynamikk, spesiell relativitetsteori og atomkjernen.
Nå har forskere ved QUEST Institute ved Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), i samarbeid med Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) og TU Braunschweig og omfanget av QuantumFrontiers Cluster of Excellence, har for første gang realisert en optisk atomklokke basert på høyt ladede ioner. Denne typen ion egner seg til en slik applikasjon fordi den har ekstraordinære atomegenskaper og lav følsomhet for eksterne elektromagnetiske felt.
PTB-fysiker Lukas Spieß sa: "Derfor forventet vi at en optisk atomklokke med høyt ladede ioner ville hjelpe oss å teste disse grunnleggende teoriene bedre. Dette håpet har allerede blitt oppfylt: Vi kunne oppdage den kvanteelektrodynamiske kjernefysiske rekylen, en viktig teoretisk prediksjon, i et fem-elektronsystem, som ikke har blitt oppnådd i noe annet eksperiment tidligere.»
På forhånd måtte teamet jobbe i årevis for å finne løsninger på spesifikke grunnleggende problemer, som deteksjon og kjøling: For atomklokker må man kjøle ned partiklene betydelig for å stoppe dem så mye som mulig og deretter lese ut frekvensen deres i hvile. Men å produsere høyt ladede ioner krever produksjon av veldig varmt plasma. Høyladede ioner kan ikke avkjøles direkte med laserlys på grunn av deres ekstraordinære atomstruktur, og de kan heller ikke oppdages ved bruk av konvensjonelle teknikker.
Et samarbeid mellom MPIK i Heidelberg og QUEST Institute ved PTB løste dette problemet ved å isolere et enkelt høyt ladet argonion fra et varmt plasma og lagre det i en ionefelle med et enkeltladet berylliumion.
Som et resultat kan det høyt ladede ionet indirekte avkjøles og analyseres ved bruk av berylliumionet. Deretter, for de påfølgende eksperimentene, ble det utviklet et oppgradert kryogent fellesystem ved MPIK og ferdigstilt ved PTB, noe som ble utført delvis ved at studenter byttet mellom institusjonene. Deretter lyktes en kvantealgoritme utviklet ved PTB i å avkjøle det høyt ladede ionet ytterligere, nær den kvantemekaniske grunntilstanden. Dette tilsvarte en temperatur 200 milliondeler av en kelvin over absolutt null.
Forskere tok nå et skritt fremover: de har realisert en optisk atomklokke basert på tretten ganger ladede argonioner og sammenlignet tikken med den eksisterende ytterbiumionklokken ved PTB. For å oppnå dette, måtte de analysere systemet grundig for å forstå ting som det høyt ladede ionets bevegelse og virkningene av eksterne interferensfelt. De oppnådde en målingsunøyaktighet på 2 deler i 1017, tilsvarende flere optiske atomklokker som nå er i bruk.
Forskningsgruppeleder Piet Schmidt sa, «Vi forventer en ytterligere reduksjon av usikkerheten gjennom tekniske forbedringer, som bør bringe oss inn i rekken av de beste atomur».
I tillegg til de optiske atomklokkene som nå er i bruk, har forskerne utviklet en ny metode basert på for eksempel nøytrale strontiumatomer eller individuelle ytterbiumioner. Teknikkene som brukes gjør det mulig å studere et bredt utvalg av høyt ladede ioner og er globalt anvendelige.
Standardmodellen for partikkelfysikk kan utvides ved å bruke atomsystemer. Andre høyt ladede ioner er spesielt følsomme for variasjoner i den fine strukturkonstanten og for noen mørk materie-kandidater som er nødvendige i teorier utenfor standardmodellen, men som ikke kunne påvises med tidligere teknikker.
Tidsreferanse:
- S. A. King, L. J. Spieß, P. Micke, et al: Åpner ekstern lenke i nytt vindu En optisk atomklokke basert på et høyt ladet ion. Natur (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
