Yüksek yüklü iyonlar kozmosta yaygın bir madde biçimidir. Çok sayıda elektron kaybetmiş olmaları ve yüksek pozitif yüke sahip olmaları nedeniyle bu adı almıştır. Bu nedenle en dıştaki elektronlar, nötr veya zayıf yüklü atomlara göre atom çekirdeğine daha güçlü bir şekilde bağlanır.
Sonuç olarak, yüksek yüklü iyonlar daha az reaksiyon gösterir. elektromanyetik girişim ancak dış dünyadan gelen temel etkilere karşı daha fazla hassasiyet geliştirirler. kuantum elektrodinamiği, özel görelilik ve atom çekirdeği.
Şimdi, Physikalisch-Technische Bundesanstalt'taki (PTB) QUEST Enstitüsü'ndeki araştırmacılar, Max Planck Enstitüsü Nükleer Fizik (MPIK) ve TU Braunschweig ve QuantumFrontiers Cluster of Excellence kapsamındaki ekip, ilk kez yüksek yüklü iyonlara dayalı bir optik atom saati gerçekleştirdi. Bu tip iyon, olağanüstü atomik özelliklere sahip olması ve dış elektromanyetik alanlara karşı düşük duyarlılığı nedeniyle böyle bir uygulamaya uygundur.
PTB fizikçisi Lukas Spieß şunları söyledi: “Bu nedenle, bir optik atom saati Yüksek yüklü iyonların kullanılması bu temel teorileri daha iyi test etmemize yardımcı olacaktır. Bu umut zaten gerçekleşti: Daha önce başka hiçbir deneyde başarılamayan, önemli bir teorik tahmin olan kuantum elektrodinamik nükleer geri tepmeyi beş elektronlu bir sistemde tespit edebildik.”
Önceden ekibin algılama ve soğutma gibi belirli temel sorunlara çözüm bulmak için yıllarca çalışması gerekiyordu: Atom saatlerinde parçacıkları mümkün olduğunca durdurmak için önemli ölçüde soğutmak ve ardından hareketsiz durumdaki frekanslarını okumak gerekiyordu. Ancak yüksek yüklü iyonların üretilmesi, çok sıcak plazma. Yüksek yüklü iyonlar, olağanüstü atom yapıları nedeniyle doğrudan lazer ışığıyla soğutulamadığı gibi, geleneksel tekniklerle de tespit edilemiyor.
Heidelberg'deki MPIK ile PTB'deki QUEST Enstitüsü arasındaki işbirliği, yüksek yüklü tek bir argon iyonunu sıcak plazmadan izole ederek ve onu tek yüklü berilyum iyonuyla birlikte bir iyon tuzağında depolayarak bu sorunu çözdü.
Sonuç olarak yüksek yüklü iyon, berilyum iyonu kullanılarak dolaylı olarak soğutulabilir ve analiz edilebilir. Daha sonra sonraki deneyler için MPIK'te yükseltilmiş bir kriyojenik tuzak sistemi geliştirildi ve kısmen kurumlar arasında geçiş yapan öğrenciler tarafından gerçekleştirilen PTB'de tamamlandı. Daha sonra PTB'de geliştirilen bir kuantum algoritması, yüksek yüklü iyonu kuantum mekaniksel temel duruma yakın bir şekilde daha da soğutmayı başardı. Bu, mutlak sıfırın 200 milyonda biri kadar yüksek bir sıcaklığa karşılık geliyordu.
Bilim insanları şimdi ileriye doğru bir adım attılar: on üç kat yüklü argon iyonlarına dayalı bir optik atom saati gerçekleştirdiler ve tik taklarını PTB'deki mevcut iterbiyum iyon saatiyle karşılaştırdılar. Bunu başarmak için, yüksek yüklü iyonun hareketi ve dış girişim alanlarının etkileri gibi şeyleri anlamak amacıyla sistemi kapsamlı bir şekilde analiz etmeleri gerekiyordu. 2'de 1017 parçalık ölçüm yanlışlığına ulaştılar; bu, şu anda kullanımda olan birkaç optik atom saatine eşdeğerdir.
Araştırma grubu lideri Piet Schmidt şuraya, “Bizi en iyiler aralığına getirecek olan teknik iyileştirmeler sayesinde belirsizliğin daha da azalmasını bekliyoruz. atom saatleri".
Bu nedenle araştırmacılar, şu anda kullanımda olan optik atom saatlerine ek olarak, örneğin nötr stronsiyum atomlarına veya bireysel iterbiyum iyonlarına dayanan yeni bir yöntem geliştirdiler. Kullanılan teknikler çok çeşitli yüksek yüklü iyonların incelenmesine olanak sağlar ve küresel olarak uygulanabilir.
Parçacık fiziğinin Standart Modeli atomik sistemler kullanılarak genişletilebilir. Diğer yüksek yüklü iyonlar, ince yapı sabitindeki değişikliklere ve Standart Model dışındaki teorilerde ihtiyaç duyulan ancak daha önceki tekniklerle tespit edilemeyen bazı karanlık madde adaylarına karşı özellikle hassastır.
Dergi Referans:
- SA King, LJ Spieß, P. Micke ve diğerleri: Harici bağlantıyı yeni pencerede açar Yüksek yüklü iyona dayanan optik atom saati. Tabiat (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
