Високозаряджені іони є поширеною формою матерії в космосі. Вони називаються так тому, що втратили багато електронів і мають високий позитивний заряд. Ось чому крайні електрони сильніше зв’язані з атомним ядром, ніж у нейтральних або слабко заряджених атомах.
У результаті високозаряджені іони менше реагують на електромагнітні перешкоди від зовнішнього світу, але розвивають більшу чутливість до фундаментальних ефектів квантова електродинаміка, спеціальна теорія відносності та атомне ядро.
Зараз дослідники з Інституту QUEST при Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) у співпраці з Інститут Макса Планка for Nuclear Physics (MPIK) і TU Braunschweig, а також кластер QuantumFrontiers Cluster of Excellence, вперше реалізували оптичний атомний годинник на основі високозаряджених іонів. Цей тип іонів підходить для такого застосування, оскільки він має надзвичайні атомні властивості та низьку чутливість до зовнішніх електромагнітних полів.
Фізик PTB Лукас Шпісс сказав: «Тому ми очікували, що ан оптичний атомний годинник з високозарядженими іонами допоможе нам краще перевірити ці фундаментальні теорії. Ця надія вже виправдалася: ми могли виявити квантову електродинамічну ядерну віддачу, важливе теоретичне передбачення, у системі з п’яти електронів, чого не було досягнуто в жодному іншому експерименті раніше».
Перед цим команді довелося роками працювати, щоб знайти рішення для конкретних фундаментальних проблем, таких як виявлення та охолодження: для атомних годинників потрібно значно охолодити частинки, щоб якомога більше їх зупинити, а потім зчитувати їхню частоту в стані спокою. Але виробництво високозаряджених іонів вимагає виробництва дуже гаряча плазма. Високозаряджені іони неможливо безпосередньо охолодити за допомогою лазерного світла через їх незвичайну атомну структуру, а також їх неможливо виявити за допомогою звичайних методів.
Співпраця між MPIK в Гейдельберзі та Інститутом QUEST в PTB вирішила цю проблему шляхом виділення одного високозарядженого іона аргону з гарячої плазми та зберігання його в іонній пастці з однозарядним іоном берилію.
У результаті високозаряджений іон можна опосередковано охолоджувати та аналізувати за допомогою іона берилію. Потім, для наступних експериментів, модернізована система кріогенної пастки була розроблена в MPIK і завершена в PTB, яка частково була виконана студентами, які перемикалися між установами. Згодом квантовому алгоритму, розробленому в PTB, вдалося ще більше охолодити високозаряджений іон, близько до квантово-механічного основного стану. Це відповідало температурі на 200 мільйонних часток кельвіна вище абсолютного нуля.
Тепер вчені зробили крок вперед: вони реалізували оптичний атомний годинник на основі тринадцятикратно заряджених іонів аргону та порівняли цокання з існуючим годинником з іонами ітербію в PTB. Щоб досягти цього, їм довелося ретельно проаналізувати систему, щоб зрозуміти такі речі, як рух високозарядженого іона та вплив зовнішніх полів перешкод. У 2 році вони досягли похибки в 1017 частини, що еквівалентно кільком оптичним атомним годинникам, які зараз використовуються.
Керівник дослідницької групи Піт Шмідт сказав, «Ми очікуємо подальшого зменшення невизначеності за рахунок технічних удосконалень, які мають вивести нас у ряд найкращих атомні годинники».
Таким чином, на додаток до оптичних атомних годинників, які зараз використовуються, дослідники розробили новий метод, заснований, наприклад, на нейтральних атомах стронцію або окремих іонах ітербію. Використовувані методи дозволяють досліджувати широкий спектр високозаряджених іонів і застосовуються у всьому світі.
Стандартну модель фізики елементарних частинок можна розширити за допомогою атомних систем. Інші високозаряджені іони особливо чутливі до варіацій постійної тонкої структури та деяких кандидатів у темну матерію, які потрібні в теоріях поза Стандартною моделлю, але які не можна було виявити за допомогою попередніх методів.
Довідка з журналу:
- S. A. King, L. J. Spieß, P. Micke та інші: Opens external link in new window. Оптичний атомний годинник на основі високозарядженого іона. природа (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
