德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院的QUEST研究所的科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)并測試了一種新型的光學(xué)原子鐘。高電荷離子是宇宙中常見的一種物質(zhì)形式，例如在太陽或其他恒星中。它們被稱為"高電荷"，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)失去了許多電子，因此具有強(qiáng)烈的正電荷。
因此，與中性或弱電的原子相比，高電荷離子的最外層電子與原子核的結(jié)合更強(qiáng)。這使得高電荷離子受外部電磁場的影響較小，但對狹義相對論、量子電動力學(xué)和原子核的基本效應(yīng)更為敏感。
"因此，我們期望帶有高電荷離子的光學(xué)原子鐘能夠幫助我們更好地測試這些基本理論"，聯(lián)邦物理技術(shù)研究所（PTB）物理學(xué)家Lukas Spieß解釋說。
"這個(gè)希望已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。我們能夠在一個(gè)五電子系統(tǒng)中檢測到量子電動核反沖，這是一個(gè)重要的理論預(yù)測，這在之前的任何其他實(shí)驗(yàn)中都沒有實(shí)現(xiàn)過。"
在此之前，該團(tuán)隊(duì)必須在多年的工作中解決一些基本問題，如檢測和冷卻。對于原子鐘來說，人們必須將粒子極度冷卻，以便盡可能地阻止它們，從而讀出它們在靜止?fàn)顟B(tài)下的頻率。然而，高電荷離子是通過創(chuàng)造一個(gè)極熱的等離子體產(chǎn)生的。由于其極端的原子結(jié)構(gòu)，高電荷離子不能用激光直接冷卻，標(biāo)準(zhǔn)檢測方法也不能使用。
海德堡的MPIK和PTB的QUEST研究所之間的合作解決了這個(gè)問題，從熱等離子體中分離出一個(gè)單一的高電荷氬離子，并將其與一個(gè)單電荷鈹離子一起儲存在一個(gè)離子阱中。這使得高電荷離子可以被間接冷卻并通過鈹離子進(jìn)行研究。
隨后，研究人員在MPIK建造了一個(gè)先進(jìn)的低溫陷阱系統(tǒng)，并在PTB完成了實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)部分是由在各機(jī)構(gòu)之間轉(zhuǎn)換的學(xué)生進(jìn)行的。隨后，在PTB開發(fā)的一種量子算法成功地將高電荷離子進(jìn)一步冷卻，即接近量子力學(xué)基態(tài)。這相當(dāng)于絕對零度以上200百萬分之一開爾文的溫度。這些結(jié)果已經(jīng)在2020年的《自然》雜志和2021年的《物理評論X》雜志上發(fā)表。
現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)成功地邁出了下一步。他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于十三倍帶電氬離子的光學(xué)原子鐘，并將其與PTB現(xiàn)有的鐿離子鐘的走時(shí)進(jìn)行比較。為了做到這一點(diǎn)，他們必須對該系統(tǒng)進(jìn)行非常詳細(xì)的分析，以便了解例如高度帶電離子的運(yùn)動和外部干擾場的影響。
結(jié)果他們實(shí)現(xiàn)了1017分之2的測量不確定性，這與許多目前運(yùn)行的光學(xué)原子鐘相當(dāng)。研究小組負(fù)責(zé)人皮特-施密特說："我們期望通過技術(shù)改進(jìn)進(jìn)一步降低不確定性，這應(yīng)該使我們的研究成果進(jìn)入最優(yōu)秀的原子鐘的行列。"
研究人員創(chuàng)造了一個(gè)與現(xiàn)有光學(xué)原子鐘相比的強(qiáng)有力的競爭者，例如，基于單個(gè)鐿離子或中性鍶原子的光學(xué)原子鐘，所使用的方法是普遍適用的，可以研究許多不同的高電荷離子。
這些包括可用于搜索粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)展的原子系統(tǒng)，其他高電荷離子對精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的變化和某些暗物質(zhì)候選物特別敏感，這些候選物在標(biāo)準(zhǔn)模型之外的模型中是需要的，但用以前的方法無法檢測到。
