Skabte verdens første atomur med højt ladede ioner

Højt ladede ioner er en almindelig form for stof i rummet, såsom Solen og andre stjerner.

Det kaldes de, fordi de mistede megetelektroner og har en høj positiv ladning. Det er derfor i dem de yderste elektroner er stærkere bundet til atomkernen end i neutrale eller svagt ladede atomer. Af denne grund reagerer højt ladede ioner mindre på interferens fra eksterne elektromagnetiske felter, men bliver mere følsomme sonder for de fundamentale virkninger af speciel relativitet, kvanteelektrodynamik og atomkernen. "Vi forventede derfor, at optiske atomure med højt ladede ioner ville hjælpe os med bedre at teste disse grundlæggende teorier," forklarer fysiker Lukas Spies.

Tidligere skulle holdet løse nogleGrundlæggende problemer som detektion og afkøling: For atomure skal partiklerne afkøles meget for at stoppe dem mest muligt og dermed tælle svingningsfrekvensen. Imidlertid produceres højt ladede ioner ved at skabe et ekstremt varmt plasma. På grund af deres ekstreme atomstruktur kan højt ladede ioner ikke afkøles direkte ved hjælp af laserlys, og der kan heller ikke anvendes standarddetektionsmetoder. Dette problem blev løst gennem et samarbejde mellem Max Planck Instituttet i Heidelberg og QUEST Instituttet ved at adskille en enkelt højt ladet argonion fra et varmt plasma og opbevare det i en ionfælde sammen med en enkeltladet berylliumion. Dette gør det muligt at indirekte afkøle en højt ladet ion og studere ved hjælp af beryllium-ionen. Et forbedret kryogenisk fældesystem blev derefter bygget på Max Planck Instituttet, som blev videreudviklet på det tyske nationale institut for metrologi til følgende eksperimenter. Efterfølgende tillod en kvantealgoritme udviklet ved det tyske nationale institut for metrologi den højt ladede ion at blive afkølet yderligere, nemlig tæt på den kvantemekaniske grundtilstand. Dette svarede til en temperatur på 200 milliontedele kelvin over det absolutte nulpunkt.

Nu har forskere med succes gjort følgendetrin: de skabte et optisk atomur baseret på tretten gange ladede argon-ioner og sammenlignede deres ydeevne med eksisterende ytterbium-ion-ure. For at gøre dette var de nødt til at analysere systemet meget detaljeret for at forstå for eksempel bevægelsen af ​​en højt ladet ion og indflydelsen af ​​eksterne interferensfelter. De opnåede en målefejl på 2 dele i 1017, hvilket kan sammenlignes med mange optiske atomure i øjeblikket i drift. "Vi forventer yderligere reduktion af usikkerhed gennem tekniske forbedringer, der burde bringe os på niveau med de bedste atomure," siger leder af forskningsteamet Pete Schmidt.

Dermed har forskerne skabt en seriøskonkurrence med eksisterende optiske atomure baseret på for eksempel individuelle ytterbium-ioner eller neutrale strontiumatomer. De anvendte metoder er universelle og tillader studiet af mange forskellige højt ladede ioner.

Læs mere:

Arkæologer har officielt bekræftet legenderne fra Bibelen

Afrodites "præstinde"s grav blev fundet: videnskabsmænd viste, hvad de fandt der

Forskere har set, hvad der er på Maya-hovedstadens territorium. Fundet overraskede dem.