Vytvorili prvé atómové hodiny na svete s vysoko nabitými iónmi

Vysoko nabité ióny sú bežnou formou hmoty vo vesmíre, ako je Slnko a iné hviezdy.

Nazývajú sa tak, pretože veľa stratilielektróny a majú vysoký kladný náboj. To je dôvod, prečo sú najvzdialenejšie elektróny v nich silnejšie viazané na atómové jadro ako v neutrálnych alebo slabo nabitých atómoch. Z tohto dôvodu vysoko nabité ióny menej reagujú na interferenciu z vonkajších elektromagnetických polí, ale stávajú sa citlivejšími sondami základných účinkov špeciálnej teórie relativity, kvantovej elektrodynamiky a atómového jadra. „Preto sme očakávali, že optické atómové hodiny s vysoko nabitými iónmi nám pomôžu lepšie otestovať tieto základné teórie,“ vysvetľuje fyzik Lukas Spies. 

Predtým musel tím nejaké vyriešiťZákladné problémy ako detekcia a chladenie: pre atómové hodiny je potrebné častice veľmi ochladiť, aby sa čo najviac zastavili a tým sa spočítala frekvencia kmitov. Vysoko nabité ióny sa však vytvárajú vytvorením extrémne horúcej plazmy. Vzhľadom na ich extrémnu atómovú štruktúru nemožno vysoko nabité ióny chladiť priamo pomocou laserového svetla, ani nemožno použiť štandardné metódy detekcie. Tento problém bol vyriešený vďaka spolupráci medzi Inštitútom Maxa Plancka v Heidelbergu a Inštitútom QUEST oddelením jedného vysoko nabitého iónu argónu z horúcej plazmy a jeho uložením do iónovej pasce spolu s jednoducho nabitým iónom berýlia. To umožňuje, aby sa vysoko nabitý ión nepriamo ochladil a študoval pomocou iónu berýlia. V Inštitúte Maxa Plancka bol potom postavený vylepšený systém kryogénnej pasce, ktorý bol ďalej vyvinutý v Nemeckom národnom metrologickom inštitúte pre nasledujúce experimenty. Následne kvantový algoritmus vyvinutý v Nemeckom národnom inštitúte metrológie umožnil ochladzovanie vysoko nabitého iónu ešte viac, konkrétne v blízkosti kvantovo mechanického základného stavu. To zodpovedalo teplote 200 miliónov kelvinov nad absolútnou nulou.

Teraz výskumníci úspešne urobili nasledovnékrok: vytvorili optické atómové hodiny založené na trinásťnásobne nabitých argónových iónoch a porovnali ich výkon s existujúcimi yterbiovými iónovými hodinami. Aby to urobili, museli veľmi podrobne analyzovať systém, aby pochopili napríklad pohyb vysoko nabitého iónu a vplyv vonkajších interferenčných polí. Dosiahli chybu merania 2 diely v roku 1017, čo je porovnateľné s mnohými optickými atómovými hodinami, ktoré sú v súčasnosti v prevádzke. „Očakávame ďalšie zníženie neistoty prostredníctvom technických vylepšení, ktoré by nás mali dostať na úroveň najlepších atómových hodín,“ hovorí vedúci výskumného tímu Pete Schmidt.

Vedci teda vytvorili vážnukonkurencia s existujúcimi optickými atómovými hodinami založenými napríklad na jednotlivých iónoch yterbia alebo neutrálnych atómoch stroncia. Použité metódy sú univerzálne a umožňujú štúdium mnohých rôznych vysoko nabitých iónov.

Čítaj viac:

Archeológovia oficiálne potvrdili legendy z Biblie

Našiel sa hrob „kňažky“ Afrodity: vedci ukázali, čo tam našli

Vedci videli, čo sa nachádza na území hlavného mesta Mayov. Nález ich prekvapil.