Zespół fizyków z Instytutu QUEST przy Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) we współpracy z Instytutem Fizyki Jądrowej Maksa Plancka (MPIK) i TU Braunschweig stworzył najdokładniejszy optyczny zegar atomowy na Ziemi. Co w nim wyjątkowego? Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature.
Takiego zegara atomowego jeszcze nie było
Silnie naładowane jony powszechnie występują w kosmosie, np. na Słońcu lub innych gwiazdach. Są one tak nazywane, gdyż brakuje im wielu elektronów i dlatego mają wysoki ładunek dodatni. Silnie naładowane jony słabiej reagują na zakłócenia z zewnętrznych pól elektromagnetycznych i są czułymi sondami efektów szczególnej teorii względności i elektrodynamiki kwantowej.
Spodziewaliśmy się, że optyczny zegar atomowy z silnie naładowanymi jonami pomoże nam lepiej przetestować te fundamentalne teorie. Ta nadzieja już się spełniła. Udało nam się wykryć kwantowe elektrodynamiczne odrzuty jądrowe, ważne przewidywanie teoretyczne, w układzie pięcioelektronowym, czego nie udało się wcześniej osiągnąć w żadnym innym eksperymencie.Lukas Spieß, doktorant z PTB
W przypadku zegarów atomowych trzeba ekstremalnie schłodzić cząstki, aby je maksymalnie zatrzymać i w ten sposób odczytać ich częstotliwość w spoczynku. Silnie naładowane jony powstają natomiast poprzez wytworzenie ekstremalnie gorącej plazmy. Ze względu na ich strukturę atomową, silnie naładowane jony nie mogą być chłodzone bezpośrednio światłem laserowym, a standardowe metody detekcji również nie mogą być stosowane. Problem ten został rozwiązany dzięki współpracy MPIK w Heidelbergu i Instytutu QUEST w PTB poprzez wyizolowanie pojedynczego wysoko naładowanego jonu argonu z gorącej plazmy i przechowywanie go w pułapce jonowej razem z pojedynczo naładowanym jonem berylu.
Czytaj też: Tak precyzyjny zegar atomowy to rzadkość. Naukowcy mają pomysł na jego wykorzystanie
Silnie naładowany jon może być pośrednio chłodzony i badany za pomocą jonu berylu. Dzięki algorytmowi kwantowemu opracowanemu w PTB, udało się schłodzić silnie naładowany jon jeszcze bardziej. Odpowiada to temperaturze 200 milionowych części Kelwina powyżej zera bezwzględnego.
Teraz naukowcy stworzyli dodatkowy system do istniejących optycznych zegarów atomowych opartych np. na pojedynczych jonach iterbu lub neutralnych atomach strontu. Zastosowane metody mają uniwersalne zastosowanie i pozwalają na badanie wielu różnych silnie naładowanych jonów. Są wśród nich układy atomowe, które mogą być wykorzystane do poszukiwania nowych cząstek w modelu standardowym fizyki cząstek.
