Высокозаряженные ионы — распространенная форма материи в космосе, например, на Солнце или других звездах. Они так называются, потому что потеряли много электронов и имеют высокий положительный заряд. Вот почему в них самые внешние электроны сильнее связаны с атомным ядром, чем в нейтральных или слабо заряженных атомах. По этой причине сильно заряженные ионы менее реагируют на помехи от внешних электромагнитных полей, но становятся более чувствительными зондами фундаментальных эффектов специальной теории относительности, квантовой электродинамики и атомного ядра. «Поэтому мы ожидали, что оптические атомные часы с высокозаряженными ионами помогут нам лучше проверить эти фундаментальные теории», — объясняет физик Лукас Шпис.
Предварительно команде пришлось решить некоторые фундаментальные проблемы, такие как обнаружение и охлаждение: для атомных часов нужно очень сильно охладить частицы, чтобы максимально остановить их и, таким образом, считать частоту колебания. Однако сильно заряженные ионы производятся путем создания чрезвычайно горячей плазмы. Из-за экстремальной атомной структуры сильно заряженные ионы нельзя охлаждать напрямую с помощью лазерного излучения, а также нельзя использовать стандартные методы обнаружения. Эта проблема была решена благодаря сотрудничеству между Институтом Макса Планка в Гейдельберге и Институтом QUEST путем выделения одного высокозаряженного иона аргона из горячей плазмы и его хранения в ионной ловушке вместе с однозарядным ионом бериллия. Это позволяет косвенно охлаждать сильно заряженный ион и изучать его с помощью иона бериллия. Затем в Институте Макса Планка была построена усовершенствованная система криогенных ловушек, которая была доработана в Национальном институте метрологии Германии для следующих экспериментов. Впоследствии квантовый алгоритм, разработанный в Национальном институте метрологии Германии, позволил еще больше охладить сильно заряженный ион, а именно близко к квантово-механическому основному состоянию. Это соответствовало температуре в 200 миллионных долей кельвина выше абсолютного нуля.
Теперь исследователи успешно сделали следующий шаг: они создали оптические атомные часы на основе тринадцатикратно заряженных ионов аргона и сравнили их ход с существующими иттербиевыми ионными часами. Для этого им пришлось очень подробно проанализировать систему, чтобы понять, например, движение высокозаряженного иона и влияние внешних интерференционных полей. Они достигли погрешности измерения 2 части на 1017, что сравнимо со многими действующими в настоящее время оптическими атомными часами. «Мы ожидаем дальнейшее снижение неопределенности за счет технических усовершенствований, которые должны вывести нас на один уровень с лучшими атомными часами», — говорит руководитель исследовательской группы Пит Шмидт.
Таким образом, исследователи создали серьезную конкуренцию существующим оптическим атомным часам, основанным, например, на отдельных ионах иттербия или нейтральных атомах стронция. Используемые методы универсальны и позволяют изучать множество различных высокозарядных ионов.
