Criou o primeiro relógio atômico do mundo com íons altamente carregados

Íons altamente carregados são uma forma comum de matéria no espaço, como o Sol e outras estrelas.

Eles são chamados assim porque perderam muitoelétrons e têm uma carga positiva alta. É por isso que os elétrons mais externos neles estão mais fortemente ligados ao núcleo atômico do que em átomos neutros ou com carga fraca. Por esta razão, os íons altamente carregados respondem menos à interferência de campos eletromagnéticos externos, mas tornam-se sondas mais sensíveis dos efeitos fundamentais da relatividade especial, da eletrodinâmica quântica e do núcleo atômico. “Portanto, esperávamos que relógios atômicos ópticos com íons altamente carregados nos ajudassem a testar melhor essas teorias fundamentais”, explica o físico Lukas Spies. 

Anteriormente, a equipe teve que resolver algunsProblemas fundamentais como detecção e resfriamento: para relógios atômicos, as partículas precisam ser muito resfriadas para pará-las o máximo possível e assim contar a frequência de oscilação. No entanto, íons altamente carregados são produzidos pela criação de um plasma extremamente quente. Devido à sua estrutura atômica extrema, íons altamente carregados não podem ser resfriados diretamente usando luz laser, nem podem ser usados ​​métodos de detecção padrão. Este problema foi resolvido através de uma colaboração entre o Instituto Max Planck em Heidelberg e o Instituto QUEST, separando um único íon de argônio altamente carregado de um plasma quente e armazenando-o em uma armadilha de íons junto com um íon de berílio com carga única. Isso permite que um íon altamente carregado seja resfriado indiretamente e estudado usando o íon berílio. Um sistema de armadilha criogênica aprimorado foi então construído no Instituto Max Planck, que foi desenvolvido no Instituto Nacional Alemão de Metrologia para os experimentos seguintes. Posteriormente, um algoritmo quântico desenvolvido no Instituto Nacional Alemão de Metrologia permitiu que o íon altamente carregado fosse resfriado ainda mais, ou seja, próximo ao estado fundamental da mecânica quântica. Isso correspondeu a uma temperatura de 200 milionésimos de Kelvin acima do zero absoluto.

Agora, os pesquisadores fizeram com sucesso o seguintepasso: eles criaram um relógio atômico óptico baseado em íons de argônio treze vezes carregados e compararam seu desempenho com os relógios de íon de itérbio existentes. Para fazer isso, eles tiveram que analisar o sistema detalhadamente para entender, por exemplo, o movimento de um íon altamente carregado e a influência de campos de interferência externos. Eles alcançaram um erro de medição de 2 partes em 1017, o que é comparável a muitos relógios atômicos ópticos atualmente em operação. “Esperamos uma maior redução da incerteza por meio de melhorias técnicas que devem nos equiparar aos melhores relógios atômicos”, diz o líder da equipe de pesquisa, Pete Schmidt.

Assim, os pesquisadores criaram um sériocompetição com relógios atômicos ópticos existentes baseados, por exemplo, em íons individuais de itérbio ou átomos neutros de estrôncio. Os métodos utilizados são universais e permitem o estudo de muitos íons altamente carregados diferentes.

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