Skapat världens första atomklocka med högt laddade joner

Högladdade joner är en vanlig form av materia i rymden, som solen och andra stjärnor.

De kallas så för att de förlorat mycketelektroner och har en hög positiv laddning. Det är därför i dem de yttersta elektronerna är starkare bundna till atomkärnan än i neutrala eller svagt laddade atomer. Av denna anledning är högladdade joner mindre känsliga för interferens från externa elektromagnetiska fält, men blir känsligare sonder för de grundläggande effekterna av speciell relativitet, kvantelektrodynamik och atomkärnan. "Vi förväntade oss därför att optiska atomklockor med högt laddade joner skulle hjälpa oss att bättre testa dessa grundläggande teorier", förklarar fysikern Lukas Spies.

Tidigare fick laget lösa en delGrundläggande problem som detektering och kylning: för atomklockor behöver partiklarna kylas väldigt mycket för att stoppa dem så mycket som möjligt och därmed räkna svängningsfrekvensen. Men högladdade joner produceras genom att skapa en extremt varm plasma. På grund av sin extrema atomstruktur kan högladdade joner inte kylas direkt med laserljus, och inte heller standarddetekteringsmetoder kan användas. Detta problem löstes genom ett samarbete mellan Max Planck-institutet i Heidelberg och QUEST-institutet genom att extrahera en enda högladdad argonjon från en het plasma och lagra den i en jonfälla tillsammans med en enkelladdad berylliumjon. Detta gör att en högladdad jon indirekt kan kylas och studeras med hjälp av berylliumjonen. Ett förbättrat kryogent fällsystem byggdes sedan vid Max Planck-institutet, som vidareutvecklades vid det tyska nationella institutet för metrologi för följande experiment. Därefter tillät en kvantalgoritm utvecklad vid det tyska nationella institutet för metrologi att den högladdade jonen kunde kylas ytterligare, nämligen nära det kvantmekaniska grundtillståndet. Detta motsvarade en temperatur på 200 miljondelar av en kelvin över absoluta nollpunkten.

Nu har forskare framgångsrikt gjort följandesteg: de skapade en optisk atomklocka baserad på trettonfaldigt laddade argonjoner och jämförde deras prestanda med befintliga ytterbiumjonklockor. För att göra detta var de tvungna att analysera systemet i detalj för att förstå till exempel rörelsen av en högladdad jon och påverkan av externa interferensfält. De uppnådde ett mätfel på 2 delar år 1017, vilket är jämförbart med många optiska atomklockor som för närvarande är i drift. "Vi förväntar oss ytterligare minskad osäkerhet genom tekniska förbättringar som borde göra oss i paritet med de bästa atomklockorna", säger forskargruppsledaren Pete Schmidt.

Därmed har forskarna skapat en allvarligkonkurrens med befintliga optiska atomklockor baserade till exempel på individuella ytterbiumjoner eller neutrala strontiumatomer. Metoderna som används är universella och tillåter studier av många olika högladdade joner.

Läs mer:

Arkeologer har officiellt bekräftat legenderna från Bibeln

Afrodites "prästinnas" grav hittades: forskare visade vad de hittade där

Forskare har sett vad som finns på Mayahuvudstadens territorium. Fyndet överraskade dem.