Вчені з Інституту QUEST при Національному інституті метрології Німеччини реалізували і оцінили новий тип оптичних атомних годин.
Високозаряджені іони – поширена форма матерії в космосі, наприклад, на Сонці або інших зірках. Вони так називаються, тому що втратили багато електронів і мають високий позитивний заряд. Ось чому в них зовнішні електрони сильніше пов’язані з атомним ядром, ніж в нейтральних або слабо заряджених атомах. З цієї причини 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.
Попередньо команді довелося вирішити деякі фундаментальні проблеми, такі як виявлення і охолодження: для атомного годинника потрібно дуже сильно охолодити частинки, щоб максимально зупинити їх і, таким чином, рахувати частоту коливання. Однак сильно заряджені іони виробляються шляхом створення 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 іона аргону з гарячої плазми та його зберігання в іонній пастці разом з однозарядним іоном берилію. Це дозволяє опосередковано охолоджувати сильно заряджений іон і вивчати його за допомогою іона берилію. Потім в Інституті Макса Планка була побудована вдосконалена система кріогенних пасток, яка була доопрацьована в Національному інституті метрології Німеччини для наступних експериментів. Згодом квантовий алгоритм, розроблений в Національному інституті метрології Німеччини, дозволив ще більше охолодити сильно заряджений іон, а саме близько до квантово-механічного основного стану. Це відповідало температурі в 200 мільйонних часток Кельвіна вище абсолютного нуля.
Тепер дослідники успішно зробили наступний крок: вони створили оптичний атомний годинник на основі тринадцятикратно заряджених іонів аргону і порівняли їх хід з існуючими ітербієвими іонними годинниками. Для цього їм довелося дуже детально проаналізувати систему, щоб зрозуміти, наприклад, рух високозарядженого іона та вплив зовнішніх інтерференційних полів. Вони досягли похибки вимірювання 2 частини на 10*17, що можна порівняти з багатьма діючими в даний час оптичними атомними годинниками.
Таким чином, дослідники створили серйозну конкуренцію існуючим оптичним атомним годинникам, заснованим, наприклад, на окремих іонах ітербію або нейтральних атомах стронцію. Використовувані методи універсальні і дозволяють вивчати безліч різних високозарядних іонів.