Högt laddade joner är en vanlig form av materia i kosmos. De är så kallade för att de har förlorat många elektroner och har en hög positiv laddning. Det är därför de yttersta elektronerna är starkare bundna till atomkärnan än i neutrala eller svagt laddade atomer.
Som ett resultat uppvisar högt laddade joner mindre reaktioner på elektromagnetisk störning från omvärlden men utveckla större känslighet för de grundläggande effekterna av kvantelektrodynamik, speciell relativitetsteori och atomkärnan.
Nu har forskare vid QUEST Institute vid Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), i samarbete med Max Planck Institute för kärnfysik (MPIK) och TU Braunschweig och omfattningen av QuantumFrontiers Cluster of Excellence, har för första gången realiserat en optisk atomklocka baserad på högt laddade joner. Denna typ av jon lämpar sig för en sådan tillämpning eftersom den har extraordinära atomära egenskaper och låg känslighet för externa elektromagnetiska fält.
PTB-fysikern Lukas Spieß sa, "Därför förväntade vi oss att en optisk atomklocka med högt laddade joner skulle hjälpa oss att testa dessa grundläggande teorier bättre. Detta hopp har redan uppfyllts: vi kunde upptäcka den kvantelektrodynamiska kärnrekylen, en viktig teoretisk förutsägelse, i ett femelektronsystem, som inte har uppnåtts i något annat experiment tidigare."
I förväg var teamet tvunget att arbeta i åratal för att hitta lösningar på specifika grundläggande frågor, såsom detektering och kylning: För atomklockor måste man kyla partiklarna avsevärt för att stoppa dem så mycket som möjligt och sedan läsa av deras frekvens i vila. Men att producera högladdade joner kräver produktion av mycket varm plasma. Högladdade joner kan inte direkt kylas med laserljus på grund av deras extraordinära atomstruktur, och de kan inte heller detekteras med konventionella tekniker.
Ett samarbete mellan MPIK i Heidelberg och QUEST-institutet vid PTB löste detta problem genom att isolera en enda högladdad argonjon från en het plasma och lagra den i en jonfälla med en enkelladdad berylliumjon.
Som ett resultat kan den högt laddade jonen indirekt kylas och analyseras med hjälp av berylliumjonen. Sedan, för de efterföljande experimenten, utvecklades ett uppgraderat kryogent fällsystem vid MPIK och färdigställdes vid PTB, vilket delvis genomfördes genom att studenter växlade mellan institutionerna. Därefter lyckades en kvantalgoritm utvecklad vid PTB kyla den högt laddade jonen ytterligare, nära det kvantmekaniska grundtillståndet. Detta motsvarade en temperatur på 200 miljondelar av en kelvin över absoluta nollpunkten.
Forskare tog nu ett steg framåt: de har realiserat en optisk atomklocka baserad på trettonfaldigt laddade argonjoner och jämfört tickandet med den befintliga ytterbiumjonklockan vid PTB. För att åstadkomma detta var de tvungna att noggrant analysera systemet för att förstå saker som den högladdade jonens rörelse och effekterna av yttre störningsfält. De uppnådde mätnoggrannhet på 2 delar år 1017, vilket motsvarar flera optiska atomur som nu används.
Forskargruppsledare Piet Schmidt sade, "Vi förväntar oss en ytterligare minskning av osäkerheten genom tekniska förbättringar, vilket borde ta oss in i intervallet av de bästa atomklockor. "
Utöver de nu använda optiska atomklockorna har forskarna alltså utvecklat en ny metod baserad på till exempel neutrala strontiumatomer eller enskilda ytterbiumjoner. Teknikerna som används möjliggör studier av en mängd olika högladdade joner och är globalt tillämpliga.
Standardmodellen för partikelfysik kan utökas med hjälp av atomsystem. Andra högladdade joner är särskilt känsliga för variationer i den fina strukturkonstanten och för vissa mörk materiakandidater som behövs i teorier utanför standardmodellen men som inte kunde upptäckas med tidigare tekniker.
Tidskriftsreferens:
- SA King, LJ Spieß, P. Micke, et al: Öppnar extern länk i nytt fönsterEn optisk atomklocka baserad på en högladdad jon. Natur (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
