Высокозаряженные ионы — распространенная форма материи в космосе. Они так называются потому, что потеряли много электронов и имеют высокий положительный заряд. Вот почему самые внешние электроны сильнее связаны с атомным ядром, чем в нейтральных или слабо заряженных атомах.
В результате высокозаряженные ионы меньше реагируют на электромагнитная интерференция от внешнего мира, но развивают большую чувствительность к фундаментальным эффектам квантовая электродинамика, специальная теория относительности и атомное ядро.
Теперь исследователи из Института QUEST при Федеральном физико-техническом институте (PTB) в сотрудничестве с Институт Макса Планка Университет ядерной физики (MPIK) и Технический университет Брауншвейга, а также в рамках Кластера передового опыта QuantumFrontiers впервые реализовали оптические атомные часы на основе высокозаряженных ионов. Этот тип ионов подходит для такого применения, потому что он обладает исключительными атомными свойствами и низкой чувствительностью к внешним электромагнитным полям.
Физик PTB Лукас Шписс сказал: «Поэтому мы ожидали, что оптические атомные часы с сильно заряженными ионами поможет нам лучше проверить эти фундаментальные теории. Эта надежда уже оправдалась: мы смогли обнаружить квантовую электродинамическую ядерную отдачу, важное теоретическое предсказание, в системе с пятью электронами, чего не было достигнуто ни в одном другом эксперименте ранее».
Перед этим команде пришлось годами работать, чтобы найти решения конкретных фундаментальных проблем, таких как обнаружение и охлаждение: для атомных часов нужно значительно охладить частицы, чтобы остановить их, насколько это возможно, а затем считать их частоту в состоянии покоя. Но для производства высокозаряженных ионов требуется производство очень горячая плазма. Высокозарядные ионы нельзя непосредственно охладить с помощью лазерного излучения из-за их необычной атомной структуры, а также их невозможно обнаружить с помощью обычных методов.
Сотрудничество между MPIK в Гейдельберге и Институтом QUEST в PTB решило эту проблему, изолировав один высокозаряженный ион аргона из горячей плазмы и поместив его в ионную ловушку с однозарядным ионом бериллия.
В результате высокозаряженный ион может быть косвенно охлажден и проанализирован с использованием иона бериллия. Затем для последующих экспериментов в МПИК была разработана и доработана в ПТБ модернизированная система криогенных ловушек, которая частично выполнялась за счет студентов, переключающихся между вузами. Впоследствии квантовый алгоритм, разработанный в PTB, позволил еще больше охладить сильно заряженный ион, приблизив его к квантово-механическому основному состоянию. Это соответствовало температуре на 200 миллионных долей кельвина выше абсолютного нуля.
Теперь ученые сделали шаг вперед: они создали оптические атомные часы на основе тринадцатикратно заряженных ионов аргона и сравнили их ход с существующими часами на ионах иттербия в ПТБ. Для этого им пришлось тщательно проанализировать систему, чтобы понять такие вещи, как движение сильно заряженных ионов и воздействие внешних интерференционных полей. Они достигли погрешности измерения в 2 части в 1017 году, что эквивалентно нескольким используемым сейчас оптическим атомным часам.
Руководитель исследовательской группы Пит Шмидт — сказал, «Мы ожидаем дальнейшего снижения неопределенности за счет технических усовершенствований, которые должны вывести нас в ряд лучших атомные часы".
Таким образом, в дополнение к используемым сейчас оптическим атомным часам исследователи разработали новый метод, основанный, например, на нейтральных атомах стронция или отдельных ионах иттербия. Используемые методы позволяют изучать широкий спектр высокозаряженных ионов и применимы во всем мире.
Стандартную модель физики элементарных частиц можно расширить, используя атомные системы. Другие высокозаряженные ионы особенно чувствительны к вариациям постоянной тонкой структуры и к некоторым кандидатам в темную материю, которые необходимы в теориях вне Стандартной модели, но не поддавались обнаружению с помощью более ранних методов.
Справочник журнала:
- С. А. Кинг, Л. Дж. Шпис, П. Микке и др.: Opens external link in new windowОптические атомные часы на основе сильно заряженного иона. природа (2022), ДОИ: 10.1038/s41586-022-05245-4
