高电荷离子是宇宙中常见的物质形式。它们之所以如此命名，是因为它们失去了许多电子并具有很高的正电荷。这就是为什么最外层的电子与原子核的结合比中性或带弱电的原子更牢固。
因此，高电荷离子表现出较少的反应 电磁干扰 但对外部世界的基本影响更加敏感 量子电动力学，狭义相对论，以及 原子核.
现在，联邦物理技术研究所 (PTB) QUEST 研究所的研究人员与 马克斯普朗克研究所 核物理（MPIK）和布伦瑞克工业大学以及量子前沿卓越集群的范围，首次实现了基于高电荷离子的光学原子钟。这种类型的离子适合这样的应用，因为它具有非凡的原子特性和对外部电磁场的低敏感性。
PTB 物理学家 Lukas Sieß 说， “因此，我们预计 光学原子钟 高电荷离子将帮助我们更好地测试这些基本理论。这个希望已经实现了：我们可以在五电子系统中检测到量子电动核反冲，这是一个重要的理论预测，这是之前任何其他实验都没有实现过的。”
在此之前，该团队必须工作多年才能找到特定基本问题的解决方案，例如检测和冷却：对于原子钟，需要显着冷却粒子以尽可能阻止它们，然后读出它们静止时的频率。但产生高电荷离子需要产生 非常热的等离子体。高电荷离子由于其特殊的原子结构而无法直接用激光冷却，也无法使用传统技术进行检测。
海德堡的 MPIK 和 PTB 的 QUEST 研究所合作解决了这个问题，方法是从热等离子体中分离出单个高电荷氩离子，并将其存储在带有单电荷铍离子的离子阱中。
结果，可以使用铍离子间接冷却和分析高电荷离子。然后，对于后续的实验，在MPIK开发了升级的低温陷阱系统，并在PTB完成，部分由在机构之间切换的学生完成。随后，PTB 开发的量子算法成功地进一步冷却高电荷离子，使其接近量子力学基态。这相当于绝对零以上百万分之 200 开尔文的温度。
科学家们现在又向前迈出了一步：他们已经实现了一种基于带十三倍电荷的氩离子的光学原子钟，并将其滴答声与 PTB 现有的镱离子钟进行了比较。为了实现这一目标，他们必须彻底分析系统，以理解高电荷离子的运动和外部干扰场的影响等问题。他们在 2 年达到了 1017 个部分的测量误差，相当于现在使用的几个光学原子钟。
研究小组组长皮特·施密特 说过, “我们期望通过技术改进进一步减少不确定性，这应该使我们进入最佳范围 原子钟设立的区域办事处外，我们在美国也开设了办事处，以便我们为当地客户提供更多的支持。“
因此，除了现在使用的光学原子钟之外，研究人员还开发了一种基于中性锶原子或单个镱离子的新方法。所采用的技术能够研究多种高电荷离子，并且在全球范围内适用。
粒子物理的标准模型可以使用原子系统进行扩展。其他高电荷离子对精细结构常数的变化以及标准模型之外的理论中所需的一些暗物质候选物特别敏感，但早期技术无法检测到这些暗物质候选物。
杂志参考：
- SA King、LJ Spieß、P. Micke 等人：在新窗口中打开外部链接基于高电荷离子的光学原子钟。 自然 （2022），DOI： 10.1038/s41586-022-05245-4
