Wysoko naładowane jony są powszechną formą materii w kosmosie. Są tak zwane, ponieważ straciły wiele elektronów i mają wysoki ładunek dodatni. Dlatego najbardziej zewnętrzne elektrony są silniej związane z jądrem atomowym niż w atomach obojętnych lub słabo naładowanych.
W rezultacie silnie naładowane jony wykazują mniej reakcji interferencja elektromagnetyczna od świata zewnętrznego, ale rozwijają większą wrażliwość na podstawowe skutki elektrodynamika kwantowa, szczególna teoria względności i jądro atomowe.
Obecnie naukowcy z Instytutu QUEST w Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), we współpracy z Instytut Maxa Plancka for Nuclear Physics (MPIK) i TU Braunschweig oraz w ramach klastra doskonałości QuantumFrontiers po raz pierwszy zrealizowali optyczny zegar atomowy oparty na wysoko naładowanych jonach. Ten typ jonów nadaje się do takiego zastosowania, ponieważ ma niezwykłe właściwości atomowe i niską wrażliwość na zewnętrzne pola elektromagnetyczne.
Fizyk PTB Lukas Spieß powiedział: „Dlatego spodziewaliśmy się, że optyczny zegar atomowy z silnie naładowanymi jonami pomogłoby nam lepiej przetestować te podstawowe teorie. Ta nadzieja już się spełniła: w układzie pięcioelektronowym mogliśmy wykryć kwantowy elektrodynamiczny odrzut jądrowy – ważne przewidywanie teoretyczne – czego nie udało się wcześniej osiągnąć w żadnym innym eksperymencie”.
Wcześniej zespół musiał pracować latami, aby znaleźć rozwiązania konkretnych podstawowych problemów, takich jak wykrywanie i chłodzenie: w przypadku zegarów atomowych należy znacznie schłodzić cząstki, aby maksymalnie je zatrzymać, a następnie odczytać ich częstotliwość w spoczynku. Ale wytwarzanie silnie naładowanych jonów wymaga produkcji bardzo gorąca plazma. Jony o wysokim naładowaniu nie mogą być bezpośrednio chłodzone światłem lasera ze względu na ich niezwykłą strukturę atomową, ani nie można ich wykryć za pomocą konwencjonalnych technik.
Współpraca MPIK w Heidelbergu z Instytutem QUEST w PTB rozwiązała ten problem poprzez wyizolowanie pojedynczego wysoko naładowanego jonu argonu z gorącej plazmy i przechowywanie go w pułapce jonowej z pojedynczo naładowanym jonem berylu.
W rezultacie wysoko naładowany jon można pośrednio schłodzić i poddać analizie przy użyciu jonu berylu. Następnie, na potrzeby kolejnych eksperymentów, w MPIK opracowano i ukończono prace nad zmodernizowanym systemem pułapek kriogenicznych, który został ukończony w PTB, częściowo przez studentów przełączających się pomiędzy placówkami. Następnie algorytmowi kwantowemu opracowanemu w PTB udało się jeszcze bardziej schłodzić silnie naładowany jon, blisko stanu podstawowego mechaniki kwantowej. Odpowiadało to temperaturze 200 milionowych kelwina powyżej zera absolutnego.
Naukowcy zrobili teraz krok naprzód: zbudowali optyczny zegar atomowy oparty na trzynastokrotnie naładowanych jonach argonu i porównali tykanie z istniejącym zegarem jonów iterbu w PTB. Aby tego dokonać, musieli dokładnie przeanalizować system, aby zrozumieć takie rzeczy, jak ruch silnie naładowanego jonu i wpływ zewnętrznych pól zakłócających. Osiągnęli niedokładność pomiaru wynoszącą 2 części w roku 1017, co odpowiada kilku obecnie używanym optycznym zegarom atomowym.
Lider grupy badawczej Piet Schmidt powiedziany, „Oczekujemy dalszego zmniejszania niepewności poprzez udoskonalenia techniczne, które powinny wprowadzić nas do grona najlepszych zegary atomowe".
Dlatego też oprócz obecnie stosowanych optycznych zegarów atomowych naukowcy opracowali nową metodę opartą na przykład na obojętnych atomach strontu lub pojedynczych jonach iterbu. Zastosowane techniki umożliwiają badanie szerokiej gamy wysoko naładowanych jonów i mają zastosowanie na całym świecie.
Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych można rozszerzyć za pomocą układów atomowych. Inne silnie naładowane jony są szczególnie wrażliwe na zmiany stałej struktury drobnej i na niektórych kandydatów na ciemną materię, które są potrzebne w teoriach poza Modelem Standardowym, ale były niewykrywalne wcześniejszymi technikami.
Referencje czasopisma:
- SA King, LJ Spieß, P. Micke i in.: Otwiera link zewnętrzny w nowym oknie Optyczny zegar atomowy oparty na wysoko naładowanym jonzie. Natura (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
