Íons altamente carregados são uma forma comum de matéria no cosmos. Eles são assim chamados porque perderam muitos elétrons e têm uma carga positiva elevada. É por isso que os elétrons mais externos estão mais fortemente ligados ao núcleo atômico do que aos átomos neutros ou com carga fraca.
Como resultado, íons altamente carregados exibem menos reações a interferência eletromagnética do mundo exterior, mas desenvolvem maior sensibilidade aos efeitos fundamentais do eletrodinâmica quântica, relatividade especial e o núcleo atômico.
Agora, investigadores do Instituto QUEST do Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), em colaboração com o Instituto Max Planck para Física Nuclear (MPIK) e TU Braunschweig e o escopo do Cluster de Excelência QuantumFrontiers, realizaram pela primeira vez um relógio atômico óptico baseado em íons altamente carregados. Este tipo de íon se presta a tal aplicação porque possui propriedades atômicas extraordinárias e baixa sensibilidade a campos eletromagnéticos externos.
O físico do PTB Lukas Spieß disse: “Portanto, esperávamos que um relógio atômico óptico com íons altamente carregados nos ajudaria a testar melhor essas teorias fundamentais. Esta esperança já foi concretizada: poderíamos detectar o recuo nuclear eletrodinâmico quântico, uma importante previsão teórica, num sistema de cinco elétrons, o que não foi alcançado em nenhum outro experimento antes.”
Anteriormente, a equipa teve de trabalhar durante anos para encontrar soluções para questões fundamentais específicas, como a deteção e o arrefecimento: para relógios atómicos, é necessário arrefecer significativamente as partículas para as deter tanto quanto possível e depois ler a sua frequência em repouso. Mas a produção de íons altamente carregados requer a produção de plasma muito quente. Íons altamente carregados não podem ser resfriados diretamente com luz laser devido à sua extraordinária estrutura atômica, nem podem ser detectados usando técnicas convencionais.
Uma colaboração entre o MPIK em Heidelberg e o QUEST Institute no PTB resolveu este problema isolando um único íon de argônio altamente carregado de um plasma quente e armazenando-o em uma armadilha de íons com um íon de berílio com carga única.
Como resultado, o íon altamente carregado pode ser resfriado indiretamente e analisado usando o íon berílio. Então, para os experimentos subsequentes, um sistema de armadilha criogênica atualizado foi desenvolvido no MPIK e finalizado no PTB, que foi realizado parcialmente por estudantes alternando entre as instituições. Posteriormente, um algoritmo quântico desenvolvido no PTB conseguiu resfriar ainda mais o íon altamente carregado, próximo ao estado fundamental da mecânica quântica. Isso correspondeu a uma temperatura 200 milionésimos de Kelvin acima do zero absoluto.
Os cientistas deram agora um passo em frente: criaram um relógio atómico óptico baseado em iões de árgon carregados treze vezes e compararam o tique-taque com o relógio de iões de itérbio existente no PTB. Para conseguir isso, eles tiveram que analisar minuciosamente o sistema para compreender coisas como o movimento do íon altamente carregado e os impactos dos campos de interferência externos. Eles alcançaram uma imprecisão de medição de 2 partes em 1017, equivalente a vários relógios atômicos ópticos atualmente em uso.
Líder do grupo de pesquisa Piet Schmidt dito, “Esperamos uma redução adicional da incerteza através de melhorias técnicas, o que deverá nos colocar na faixa dos melhores relógios atômicos. "
Assim, além dos relógios atômicos ópticos atualmente em uso, os pesquisadores desenvolveram um novo método baseado em átomos neutros de estrôncio ou em íons individuais de itérbio, por exemplo. As técnicas empregadas permitem o estudo de uma ampla variedade de íons altamente carregados e são aplicáveis globalmente.
O Modelo Padrão da física de partículas pode ser estendido usando sistemas atômicos. Outros íons altamente carregados são especialmente sensíveis a variações na constante de estrutura fina e a alguns candidatos à matéria escura que são necessários em teorias fora do Modelo Padrão, mas que eram indetectáveis com técnicas anteriores.
Jornal de referência:
- S. A. King, L. J. Spieß, P. Micke, et al: Abre link externo em uma nova janelaUm relógio atômico óptico baseado em um íon altamente carregado. Natureza (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
