Các ion tích điện cao là một dạng vật chất phổ biến trong vũ trụ. Chúng được gọi như vậy vì chúng đã mất nhiều electron và có điện tích dương cao. Đây là lý do tại sao các electron ngoài cùng liên kết với hạt nhân nguyên tử mạnh hơn so với các nguyên tử trung tính hoặc tích điện yếu.
Kết quả là các ion mang điện tích cao biểu hiện ít phản ứng hơn với nhiễu điện từ từ thế giới bên ngoài nhưng phát triển sự nhạy cảm cao hơn với những tác động cơ bản của điện động lực học lượng tử, thuyết tương đối đặc biệt và hạt nhân nguyên tử.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Viện QUEST tại Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), phối hợp với Viện Max Planck cho Vật lý hạt nhân (MPIK) và TU Braunschweig cũng như phạm vi của Cụm xuất sắc QuantumFrontiers, đã lần đầu tiên nhận ra một đồng hồ nguyên tử quang học dựa trên các ion tích điện cao. Loại ion này phù hợp với ứng dụng như vậy vì nó có đặc tính nguyên tử đặc biệt và độ nhạy thấp với trường điện từ bên ngoài.
Nhà vật lý PTB Lukas Spieß nói, “Vì vậy, chúng tôi mong đợi rằng một đồng hồ nguyên tử quang học với các ion tích điện cao sẽ giúp chúng ta kiểm tra những lý thuyết cơ bản này tốt hơn. Hy vọng này đã thành hiện thực: Chúng tôi có thể phát hiện độ giật hạt nhân điện động lượng tử, một dự đoán lý thuyết quan trọng, trong một hệ năm electron, điều chưa đạt được trong bất kỳ thí nghiệm nào khác trước đây”.
Trước đó, đội nghiên cứu đã phải làm việc trong nhiều năm để tìm giải pháp cho các vấn đề cơ bản cụ thể, chẳng hạn như phát hiện và làm mát: Đối với đồng hồ nguyên tử, người ta cần làm lạnh các hạt đáng kể để ngăn chặn chúng càng nhiều càng tốt rồi đọc tần số của chúng ở trạng thái nghỉ. Nhưng việc tạo ra các ion mang điện tích cao đòi hỏi phải tạo ra plasma rất nóng. Các ion tích điện cao không thể được làm lạnh trực tiếp bằng ánh sáng laser do cấu trúc nguyên tử đặc biệt của chúng và cũng không thể phát hiện chúng bằng các kỹ thuật thông thường.
Sự hợp tác giữa MPIK ở Heidelberg và Viện QUEST tại PTB đã giải quyết vấn đề này bằng cách tách một ion argon tích điện cao khỏi plasma nóng và lưu trữ nó trong bẫy ion với ion berili tích điện đơn.
Kết quả là ion tích điện cao có thể được làm lạnh và phân tích gián tiếp bằng ion berili. Sau đó, đối với các thí nghiệm tiếp theo, hệ thống bẫy đông lạnh nâng cấp đã được phát triển tại MPIK và hoàn thiện tại PTB, được thực hiện một phần bởi các sinh viên chuyển đổi giữa các cơ sở. Sau đó, một thuật toán lượng tử được phát triển tại PTB đã thành công trong việc làm mát ion tích điện cao hơn nữa, gần với trạng thái cơ bản lượng tử. Điều này tương ứng với nhiệt độ 200 phần triệu kelvin trên độ không tuyệt đối.
Các nhà khoa học hiện đã tiến thêm một bước: họ đã tạo ra một đồng hồ nguyên tử quang học dựa trên các ion argon tích điện gấp 2 lần và so sánh tiếng tích tắc với đồng hồ ion ytterbium hiện có tại PTB. Để thực hiện điều này, họ phải phân tích kỹ lưỡng hệ thống để hiểu những thứ như chuyển động của ion tích điện cao và tác động của các trường giao thoa bên ngoài. Họ đã đạt được độ chính xác đo lường là 1017 phần vào năm XNUMX, tương đương với một số đồng hồ nguyên tử quang học hiện đang được sử dụng.
Trưởng nhóm nghiên cứu Piet Schmidt nói, “Chúng tôi kỳ vọng sẽ giảm thêm mức độ không chắc chắn thông qua các cải tiến kỹ thuật, điều này sẽ đưa chúng tôi đến với phạm vi giải pháp tốt nhất.” đồng hồ nguyên tử".
Do đó, ngoài các đồng hồ nguyên tử quang học hiện đang được sử dụng, các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới dựa trên các nguyên tử strontium trung tính hoặc các ion ytterbium riêng lẻ chẳng hạn. Các kỹ thuật được sử dụng cho phép nghiên cứu nhiều loại ion tích điện cao và có thể áp dụng trên toàn cầu.
Mô hình Chuẩn của vật lý hạt có thể được mở rộng bằng cách sử dụng các hệ nguyên tử. Các ion tích điện cao khác đặc biệt nhạy cảm với các biến thiên trong hằng số cấu trúc tinh tế và với một số ứng cử viên vật chất tối cần thiết trong các lý thuyết ngoài Mô hình Chuẩn nhưng không thể phát hiện được bằng các kỹ thuật trước đó.
Tạp chí tham khảo:
- S. A. King, L. J. Spieß, P. Micke, và các cộng sự: Mở liên kết bên ngoài trong cửa sổ mới Đồng hồ nguyên tử quang học dựa trên ion tích điện cao. Thiên nhiên (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4
