ไอออนที่มีประจุสูงเป็นรูปแบบของสสารทั่วไปในจักรวาล พวกมันถูกเรียกเช่นนี้เพราะพวกเขาสูญเสียอิเล็กตรอนไปจำนวนมากและมีประจุบวกสูง นี่คือเหตุผลว่าทำไมอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดจึงจับกับนิวเคลียสของอะตอมอย่างแน่นหนามากกว่าในอะตอมที่เป็นกลางหรือมีประจุอ่อน
เป็นผลให้ไอออนที่มีประจุสูงแสดงปฏิกิริยาน้อยลง สัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า จากโลกภายนอกแต่พัฒนาความอ่อนไหวต่อผลกระทบพื้นฐานของ ควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์, ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ และ นิวเคลียสของอะตอม.
ขณะนี้นักวิจัยจากสถาบัน QUEST ที่ Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ร่วมกับ สถาบัน Max Planck สำหรับฟิสิกส์นิวเคลียร์ (MPIK) และ TU Braunschweig และขอบเขตของ QuantumFrontiers Cluster of Excellence ได้ตระหนักถึงนาฬิกาอะตอมแบบออปติคอลที่ใช้ไอออนที่มีประจุสูงเป็นครั้งแรก ไอออนประเภทนี้เหมาะกับการใช้งานประเภทนี้เนื่องจากมีคุณสมบัติอะตอมที่ไม่ธรรมดาและมีความไวต่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกต่ำ
ลูคัส สปีส นักฟิสิกส์ของ PTB กล่าวว่า “ดังนั้นเราจึงคาดหวังว่า นาฬิกาอะตอมแบบออปติคัล ด้วยไอออนที่มีประจุสูงจะช่วยให้เราทดสอบทฤษฎีพื้นฐานเหล่านี้ได้ดีขึ้น ความหวังนี้สำเร็จแล้ว: เราสามารถตรวจจับการหดตัวของนิวเคลียร์ด้วยไฟฟ้าไดนามิกควอนตัมซึ่งเป็นการทำนายทางทฤษฎีที่สำคัญในระบบห้าอิเล็กตรอน ซึ่งไม่เคยประสบผลสำเร็จในการทดลองอื่นใดมาก่อน”
ก่อนหน้านี้ ทีมงานต้องทำงานเป็นเวลาหลายปีเพื่อค้นหาวิธีแก้ไขปัญหาพื้นฐานเฉพาะ เช่น การตรวจจับและการทำความเย็น สำหรับนาฬิกาอะตอม เราต้องทำให้อนุภาคเย็นลงอย่างมากเพื่อหยุดพวกมันให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ จากนั้นจึงอ่านความถี่ของพวกมันในขณะพัก แต่การผลิตไอออนที่มีประจุสูงนั้นจำเป็นต้องอาศัยการผลิต พลาสม่าที่ร้อนมาก. ไอออนที่มีประจุสูงไม่สามารถทำให้เย็นลงได้โดยตรงด้วยแสงเลเซอร์ เนื่องจากมีโครงสร้างอะตอมที่ไม่ธรรมดา และไม่สามารถตรวจจับได้ด้วยเทคนิคทั่วไป
การทำงานร่วมกันระหว่าง MPIK ในไฮเดลเบิร์กและสถาบัน QUEST ที่ PTB ช่วยแก้ปัญหานี้โดยการแยกไอออนอาร์กอนที่มีประจุสูงเพียงตัวเดียวออกจากพลาสมาร้อน และเก็บไว้ในกับดักไอออนที่มีไอออนเบริลเลียมที่มีประจุเพียงตัวเดียว
เป็นผลให้ไอออนที่มีประจุสูงสามารถระบายความร้อนโดยอ้อมและวิเคราะห์ได้โดยใช้เบริลเลียมไอออน จากนั้น สำหรับการทดลองครั้งต่อไป ระบบกับดักไครโอเจนิกที่ได้รับการอัพเกรดได้รับการพัฒนาที่ MPIK และเสร็จสิ้นที่ PTB ซึ่งส่วนหนึ่งดำเนินการโดยนักเรียนที่สลับไปมาระหว่างสถาบัน ต่อมา อัลกอริธึมควอนตัมที่พัฒนาขึ้นที่ PTB ประสบความสำเร็จในการทำให้ไอออนที่มีประจุสูงเย็นลงยิ่งขึ้นไปอีก ซึ่งใกล้เคียงกับสถานะกราวด์เชิงกลของควอนตัม ซึ่งสอดคล้องกับอุณหภูมิ 200 ในล้านเคลวินเหนือศูนย์สัมบูรณ์
ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์ก้าวไปข้างหน้า: พวกเขาได้ตระหนักถึงนาฬิกาอะตอมแบบออปติคอลที่มีไอออนอาร์กอนที่มีประจุ 2 เท่า และเปรียบเทียบการติ๊กกับนาฬิกาไอออนอิตเทอร์เบียมที่มีอยู่ที่ PTB ในการบรรลุเป้าหมายนี้ พวกเขาต้องวิเคราะห์ระบบอย่างละเอียดเพื่อทำความเข้าใจสิ่งต่างๆ เช่น การเคลื่อนที่ของไอออนที่มีประจุสูง และผลกระทบของสนามรบกวนภายนอก พวกเขาได้รับความคลาดเคลื่อนในการวัด 1017 ส่วนในปี XNUMX ซึ่งเทียบเท่ากับนาฬิกาอะตอมเชิงแสงหลายเรือนที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน
พีต ชมิดต์ หัวหน้ากลุ่มวิจัย กล่าวว่า, “เราคาดหวังว่าความไม่แน่นอนจะลดลงอีกผ่านการปรับปรุงทางเทคนิค ซึ่งจะนำเราไปสู่ช่วงที่ดีที่สุด นาฬิกาอะตอม".
ดังนั้น นอกเหนือจากนาฬิกาอะตอมแบบออปติคัลที่ใช้อยู่ในปัจจุบันแล้ว นักวิจัยยังได้พัฒนาวิธีการใหม่โดยใช้อะตอมสตรอนเทียมที่เป็นกลางหรือไอออนอิตเทอร์เบียมแต่ละตัว เป็นต้น เทคนิคที่ใช้ช่วยให้สามารถศึกษาไอออนที่มีประจุสูงได้หลากหลายชนิดและนำไปใช้ได้ทั่วโลก
แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาคสามารถขยายได้โดยใช้ระบบอะตอม ไอออนที่มีประจุสูงอื่นๆ มีความไวเป็นพิเศษต่อการแปรผันของค่าคงที่ของโครงสร้างละเอียดและต่อตัวเลือกสสารมืดบางตัวที่จำเป็นในทฤษฎีที่อยู่นอกแบบจำลองมาตรฐาน แต่ตรวจไม่พบด้วยเทคนิคก่อนหน้านี้
การอ้างอิงวารสาร:
- SA King, LJ Spieß, P. Micke และคณะ: เปิดลิงก์ภายนอกในหน้าต่างใหม่นาฬิกาอะตอมแบบออปติคัลที่ใช้ไอออนที่มีประจุสูง ธรรมชาติ (2022), ดอย: 10.1038/s41586-022-05245-4
