Ionii foarte încărcați sunt o formă comună de materie în cosmos. Sunt așa-numiți deoarece au pierdut mulți electroni și au o sarcină pozitivă ridicată. Acesta este motivul pentru care electronii cei mai exteriori sunt legați mai puternic de nucleul atomic decât în atomii neutri sau slab încărcați.
Ca rezultat, ionii foarte încărcați prezintă mai puține reacții la interferență electromagnetică din lumea exterioară dar dezvoltă o mai mare sensibilitate la efectele fundamentale ale electrodinamică cuantică, relativitatea specială și nucleul atomic.
Acum, cercetătorii de la Institutul QUEST de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), în colaborare cu Institutul Max Planck for Nuclear Physics (MPIK) și TU Braunschweig și domeniul de aplicare al QuantumFrontiers Cluster of Excellence, au realizat pentru prima dată un ceas atomic optic bazat pe ioni foarte încărcați. Acest tip de ion se pretează la o astfel de aplicație deoarece are proprietăți atomice extraordinare și sensibilitate scăzută la câmpurile electromagnetice externe.
Fizicianul PTB Lukas Spieß a spus: „Prin urmare, ne așteptam ca an ceas atomic optic cu ioni foarte încărcați ne-ar ajuta să testăm mai bine aceste teorii fundamentale. Această speranță a fost deja împlinită: am putea detecta recul nuclear electrodinamic cuantic, o predicție teoretică importantă, într-un sistem cu cinci electroni, care nu a fost realizat în niciun alt experiment înainte.”
În prealabil, echipa a trebuit să lucreze ani de zile pentru a găsi soluții la probleme fundamentale specifice, cum ar fi detectarea și răcirea: pentru ceasurile atomice, trebuie să răciți particulele în mod semnificativ pentru a le opri cât mai mult posibil și apoi să citiți frecvența lor în repaus. Dar producerea de ioni foarte încărcați necesită producerea de plasma foarte fierbinte. Ionii cu încărcare mare nu pot fi răciți direct cu lumina laser datorită structurii lor atomice extraordinare și nici nu pot fi detectați folosind tehnici convenționale.
O colaborare între MPIK din Heidelberg și Institutul QUEST de la PTB a rezolvat această problemă prin izolarea unui singur ion de argon foarte încărcat dintr-o plasmă fierbinte și stocarea acestuia într-o capcană de ioni cu un ion de beriliu încărcat individual.
Ca rezultat, ionul foarte încărcat poate fi răcit indirect și analizat folosind ionul de beriliu. Apoi, pentru experimentele ulterioare, un sistem de capcane criogenice modernizat a fost dezvoltat la MPIK și finalizat la PTB, care a fost realizat parțial de studenți care au schimbat între instituții. Ulterior, un algoritm cuantic dezvoltat la PTB a reușit să răcească ionul foarte încărcat și mai mult, aproape de starea fundamentală a mecanicii cuantice. Aceasta corespundea unei temperaturi de 200 de milioane de kelvin peste zero absolut.
Oamenii de știință au făcut acum un pas înainte: au realizat un ceas atomic optic bazat pe ioni de argon încărcați de treisprezece ori și au comparat ticăitul cu ceasul de ioni de iterbiu existent la PTB. Pentru a realiza acest lucru, ei au trebuit să analizeze amănunțit sistemul pentru a înțelege lucruri precum mișcarea ionului foarte încărcat și impactul câmpurilor de interferență exterioare. Au atins o inexactitate de măsurare de 2 părți în 1017, echivalent cu mai multe ceasuri atomice optice utilizate acum.
Liderul grupului de cercetare Piet Schmidt a spus, „Ne așteptăm la o reducere suplimentară a incertitudinii prin îmbunătățiri tehnice, care ar trebui să ne aducă în gama celor mai bune ceasuri atomice. "
Astfel, pe lângă ceasurile atomice optice utilizate acum, cercetătorii au dezvoltat o nouă metodă bazată pe atomi neutri de stronțiu sau ioni individuali de iterbiu, de exemplu. Tehnicile utilizate permit studiul unei game largi de ioni foarte încărcați și sunt aplicabile la nivel global.
Modelul standard al fizicii particulelor poate fi extins folosind sisteme atomice. Alți ioni foarte încărcați sunt deosebit de sensibili la variațiile constantei structurii fine și la unii candidați ai materiei întunecate care sunt necesari în teorii din afara modelului standard, dar care erau nedetectabili cu tehnicile anterioare.
Referința jurnalului:
- SA King, LJ Spieß, P. Micke, et al: Deschide link extern într-o fereastră nouă Un ceas atomic optic bazat pe un ion foarte încărcat. Natură (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
