Створено перший у світі атомний годинник з високозарядженими іонами

Високозаряджені іони — поширена форма матерії у космосі, наприклад, Сонце чи інших зірках.

Вони так називаються, бо втратили багатоелектронів та мають високий позитивний заряд. Ось чому в них зовнішні електрони сильніше пов'язані з атомним ядром, ніж у нейтральних або слабо заряджених атомах. Тому сильно заряджені іони менш реагують на перешкоди від зовнішніх електромагнітних полів, але стають більш чутливими зондами фундаментальних ефектів спеціальної теорії відносності, квантової електродинаміки та атомного ядра. «Тому ми очікували, що оптичний атомний годинник із високозарядженими іонами допоможе нам краще перевірити ці фундаментальні теорії», — пояснює фізик Лукас Шпіс.

Попередньо команді довелося вирішити деякіфундаментальні проблеми, такі як виявлення та охолодження: для атомного годинника потрібно дуже сильно охолодити частинки, щоб максимально зупинити їх і, таким чином, вважати частоту коливання. Проте сильно заряджені іони виробляються створенням надзвичайно гарячої плазми. Через екстремальну атомну структуру сильно заряджені іони не можна охолоджувати безпосередньо за допомогою лазерного випромінювання, а також не можна використовувати стандартні методи виявлення. Ця проблема була вирішена завдяки співпраці між Інститутом Макса Планка в Гейдельберзі та Інститутом QUEST шляхом виділення одного високозарядженого іону аргону з гарячої плазми та його зберігання в іонній пастці разом із однозарядним іоном берилію. Це дозволяє опосередковано охолоджувати сильно заряджений іон та вивчати його за допомогою іона берилію. Потім в Інституті Макса Планка було побудовано вдосконалену систему кріогенних пасток, яка була доопрацьована у Національному інституті метрології Німеччини для наступних експериментів. Згодом квантовий алгоритм, розроблений у Національному інституті метрології Німеччини, дозволив ще більше охолодити сильно заряджений іон, а саме близько до квантово-механічного стану. Це відповідало температурі в 200 мільйонних часток кельвіна вище абсолютного нуля.

Тепер дослідники успішно зробили наступнийкрок: вони створили оптичний атомний годинник на основі тринадцятиразово заряджених іонів аргону і порівняли їх хід з існуючим ітербієвим іонним годинником. Для цього їм довелося докладно проаналізувати систему, щоб зрозуміти, наприклад, рух високозарядженого іона та вплив зовнішніх інтерференційних полів. Вони досягли похибки вимірювання 2 частини на 1017, що порівняно з багатьма діючими в даний час оптичним атомним годинником. «Ми очікуємо подальше зниження невизначеності за рахунок технічних удосконалень, які повинні вивести нас на один рівень з кращим атомним годинником», — каже керівник дослідницької групи Піт Шмідт.

Таким чином, дослідники створили серйознуконкуренцію існуючим оптичним атомним годинникам, заснованим, наприклад, на окремих іонах ітербію або нейтральних атомах стронцію. Методи, що використовуються універсальні і дозволяють вивчати безліч різних високозарядних іонів.

Читати далі:

Археологи офіційно підтвердили оповіді з Біблії

Знайдено могилу «жриці» Афродіти: вчені показали, що знайшли там

Вчені розглянули, що на території столиці майя. Знахідка їх здивувала