Laget verdens første atomklokke med høyt ladede ioner

Høyt ladede ioner er en vanlig form for materie i verdensrommet, slik som solen og andre stjerner.

De kalles det fordi de tapte myeelektroner og har høy positiv ladning. Dette er grunnen til at de ytterste elektronene i dem er sterkere bundet til atomkjernen enn i nøytrale eller svakt ladede atomer. Av denne grunn reagerer høyt ladede ioner mindre på interferens fra eksterne elektromagnetiske felt, men blir mer følsomme sonder for de grunnleggende effektene av spesiell relativitet, kvanteelektrodynamikk og atomkjernen. "Vi forventet derfor at optiske atomklokker med høyt ladede ioner ville hjelpe oss å teste disse grunnleggende teoriene bedre," forklarer fysiker Lukas Spies.

Tidligere måtte laget løse noenGrunnleggende problemer som deteksjon og kjøling: for atomklokker må partiklene kjøles veldig ned for å stoppe dem mest mulig og dermed telle svingningsfrekvensen. Imidlertid produseres høyt ladede ioner ved å lage et ekstremt varmt plasma. På grunn av deres ekstreme atomstruktur kan høyt ladede ioner ikke avkjøles direkte ved hjelp av laserlys, og standard deteksjonsmetoder kan heller ikke brukes. Dette problemet ble løst gjennom et samarbeid mellom Max Planck Institute i Heidelberg og QUEST Institute ved å skille et enkelt høyt ladet argonion fra et varmt plasma og lagre det i en ionefelle sammen med et enkeltladet berylliumion. Dette gjør at et høyt ladet ion indirekte kan avkjøles og studeres ved hjelp av berylliumionet. Et forbedret kryogent fellesystem ble deretter bygget ved Max Planck Institute, som ble videreutviklet ved det tyske nasjonale instituttet for metrologi for følgende eksperimenter. Deretter tillot en kvantealgoritme utviklet ved det tyske nasjonale instituttet for metrologi det høyt ladede ionet å bli avkjølt ytterligere, nemlig nær den kvantemekaniske grunntilstanden. Dette tilsvarte en temperatur på 200 milliondeler av en kelvin over det absolutte nullpunktet.

Nå har forskere lykkes med følgendetrinn: de skapte en optisk atomklokke basert på tretten ganger ladede argonioner og sammenlignet ytelsen deres med eksisterende ytterbiumionklokker. For å gjøre dette måtte de analysere systemet i stor detalj for å forstå for eksempel bevegelsen til et høyt ladet ion og påvirkningen av eksterne interferensfelt. De oppnådde en målefeil på 2 deler i 1017, som kan sammenlignes med mange optiske atomklokker som er i drift. "Vi forventer ytterligere reduksjon av usikkerhet gjennom tekniske forbedringer som bør bringe oss på nivå med de beste atomklokkene," sier leder for forskningsteamet Pete Schmidt.

Dermed har forskerne skapt en seriøskonkurranse med eksisterende optiske atomklokker basert for eksempel på individuelle ytterbiumioner eller nøytrale strontiumatomer. Metodene som brukes er universelle og tillater studier av mange forskjellige høyt ladede ioner.

Les mer:

Arkeologer har offisielt bekreftet legendene fra Bibelen

Graven til "prestinnen" til Afrodite ble funnet: forskere viste hva de fant der

Forskere har sett hva som er på territoriet til Maya-hovedstaden. Funnet overrasket dem.