Stworzył pierwszy na świecie zegar atomowy z wysoko naładowanymi jonami

Silnie naładowane jony są powszechną formą materii w kosmosie, na przykład w Słońcu lub innych gwiazdach.

Nazywa się ich tak, bo dużo stracilielektronów i mają wysoki ładunek dodatni. Dlatego w nich najbardziej zewnętrzne elektrony są silniej związane z jądrem atomowym niż w atomach obojętnych lub słabo naładowanych. Z tego powodu wysoko naładowane jony są mniej wrażliwe na zakłócenia pochodzące od zewnętrznych pól elektromagnetycznych, ale stają się bardziej czułymi sondami podstawowych efektów szczególnej teorii względności, elektrodynamiki kwantowej i jądra atomowego. „Dlatego spodziewaliśmy się, że optyczne zegary atomowe z wysoko naładowanymi jonami pomogą nam lepiej przetestować te podstawowe teorie” – wyjaśnia fizyk Lukas Spies.

Wcześniej zespół musiał rozwiązać niektóre problemyPodstawowe problemy, takie jak wykrywanie i chłodzenie: w przypadku zegarów atomowych cząstki muszą być bardzo mocno schłodzone, aby je jak najbardziej zatrzymać i w ten sposób policzyć częstotliwość oscylacji. Jednakże silnie naładowane jony powstają w wyniku wytworzenia niezwykle gorącej plazmy. Ze względu na ich ekstremalną strukturę atomową, wysoko naładowane jony nie mogą być chłodzone bezpośrednio za pomocą światła laserowego, ani nie można zastosować standardowych metod wykrywania. Problem ten został rozwiązany dzięki współpracy Instytutu Maxa Plancka w Heidelbergu i Instytutu QUEST poprzez ekstrakcję pojedynczego wysoko naładowanego jonu argonu z gorącej plazmy i przechowywanie go w pułapce jonowej razem z pojedynczo naładowanym jonem berylu. Umożliwia to pośrednie chłodzenie silnie naładowanego jonu i badanie go przy użyciu jonu berylu. Następnie w Instytucie Maxa Plancka zbudowano ulepszony system pułapki kriogenicznej, który był dalej rozwijany w Niemieckim Narodowym Instytucie Metrologii na potrzeby następujących eksperymentów. Następnie algorytm kwantowy opracowany w Niemieckim Narodowym Instytucie Metrologii umożliwił jeszcze większe schłodzenie silnie naładowanego jonu, a mianowicie blisko stanu podstawowego mechaniki kwantowej. Odpowiadało to temperaturze 200 milionowych kelwina powyżej zera absolutnego.

Teraz naukowcy z powodzeniem wykonali następujące czynnościkrok: stworzyli optyczny zegar atomowy oparty na trzynastokrotnie naładowanych jonach argonu i porównali ich działanie z istniejącymi zegarami iterbowymi. Aby to zrobić, musieli bardzo szczegółowo przeanalizować system, aby zrozumieć na przykład ruch wysoko naładowanego jonu i wpływ zewnętrznych pól interferencyjnych. Osiągnęli błąd pomiaru wynoszący 2 części w 1017, co jest porównywalne z wieloma obecnie działającymi optycznymi zegarami atomowymi. „Oczekujemy dalszego zmniejszenia niepewności dzięki ulepszeniom technicznym, które powinny zrównać nas z najlepszymi zegarami atomowymi”, mówi kierownik zespołu badawczego Pete Schmidt.

W ten sposób naukowcy stworzyli poważnykonkurencja z istniejącymi optycznymi zegarami atomowymi opartymi na przykład na pojedynczych jonach iterbu lub obojętnych atomach strontu. Stosowane metody są uniwersalne i pozwalają na badanie wielu różnych, wysoko naładowanych jonów.

Czytaj więcej:

Archeolodzy oficjalnie potwierdzili legendy biblijne

Znaleziono grób „kapłanki” Afrodyty: naukowcy pokazali, co tam znaleźli

Naukowcy widzieli, co znajduje się na terytorium stolicy Majów. Znalezisko ich zaskoczyło.