Ha creato il primo orologio atomico al mondo con ioni altamente carichi

Gli ioni altamente carichi sono una forma comune di materia nello spazio, come il Sole e altre stelle.

Si chiamano così perché hanno perso moltoelettroni e hanno un'elevata carica positiva. Questo è il motivo per cui in essi gli elettroni più esterni sono più fortemente legati al nucleo atomico che negli atomi neutri o con carica debole. Per questo motivo, gli ioni altamente carichi sono meno sensibili alle interferenze dei campi elettromagnetici esterni, ma diventano sonde più sensibili degli effetti fondamentali della relatività ristretta, dell’elettrodinamica quantistica e del nucleo atomico. "Ci aspettavamo quindi che gli orologi atomici ottici con ioni altamente carichi ci avrebbero aiutato a testare meglio queste teorie fondamentali", spiega il fisico Lukas Spies.

In precedenza, il team doveva risolverne alcuniProblemi fondamentali come il rilevamento e il raffreddamento: per gli orologi atomici le particelle necessitano di essere raffreddate moltissimo per poterle fermare il più possibile e contare così la frequenza di oscillazione. Tuttavia, gli ioni altamente carichi vengono prodotti creando un plasma estremamente caldo. A causa della loro struttura atomica estrema, gli ioni altamente carichi non possono essere raffreddati direttamente utilizzando la luce laser, né possono essere utilizzati metodi di rilevamento standard. Questo problema è stato risolto attraverso una collaborazione tra l'Istituto Max Planck di Heidelberg e l'Istituto QUEST separando un singolo ione di argon altamente carico da un plasma caldo e immagazzinandolo in una trappola ionica insieme a uno ione berillio a carica singola. Ciò consente di raffreddare indirettamente e studiare uno ione altamente carico utilizzando lo ione berillio. Presso l'Istituto Max Planck è stato poi costruito un sistema di trappole criogeniche migliorato, che è stato ulteriormente sviluppato presso l'Istituto nazionale tedesco di metrologia per i successivi esperimenti. Successivamente, un algoritmo quantistico sviluppato presso l’Istituto nazionale tedesco di metrologia ha permesso di raffreddare ulteriormente lo ione altamente carico, cioè vicino allo stato fondamentale della meccanica quantistica. Ciò corrispondeva ad una temperatura di 200 milionesimi di Kelvin sopra lo zero assoluto.

Ora i ricercatori hanno fatto con successo quanto seguepasso: hanno creato un orologio atomico ottico basato su ioni argon carichi di tredici volte e hanno confrontato le loro prestazioni con gli orologi ionici di itterbio esistenti. Per fare ciò, hanno dovuto analizzare il sistema in modo molto dettagliato per comprendere, ad esempio, il movimento di uno ione altamente carico e l'influenza dei campi di interferenza esterni. Hanno ottenuto un errore di misurazione di 2 parti nel 1017, paragonabile a molti orologi atomici ottici attualmente in funzione. "Ci aspettiamo un'ulteriore riduzione dell'incertezza attraverso miglioramenti tecnici che dovrebbero portarci alla pari con i migliori orologi atomici", afferma il leader del team di ricerca Pete Schmidt.

Pertanto, i ricercatori hanno creato un serioconcorrenza con gli orologi atomici ottici esistenti basati, ad esempio, su singoli ioni di itterbio o su atomi neutri di stronzio. I metodi utilizzati sono universali e consentono lo studio di molti ioni diversi altamente carichi.

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