科學家創(chuàng)造了一種新型光學原子鐘

德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院的QUEST研究所的科學家已經(jīng)開發(fā)并測試了一種新型的光學原子鐘。高電荷離子是宇宙中常見的一種物質(zhì)形式，例如在太陽或其他恒星中。它們被稱為"高電荷"，因為它們已經(jīng)失去了許多電子，因此具有強烈的正電荷。

因此，與中性或弱電的原子相比，高電荷離子的最外層電子與原子核的結(jié)合更強。這使得高電荷離子受外部電磁場的影響較小，但對狹義相對論、量子電動力學和原子核的基本效應(yīng)更為敏感。

"因此，我們期望帶有高電荷離子的光學原子鐘能夠幫助我們更好地測試這些基本理論"，聯(lián)邦物理技術(shù)研究所（PTB）物理學家Lukas Spie?解釋說。 "這個希望已經(jīng)實現(xiàn)了。我們能夠在一個五電子系統(tǒng)中檢測到量子電動核反沖，這是一個重要的理論預(yù)測，這在之前的任何其他實驗中都沒有實現(xiàn)過。"

在此之前，該團隊必須在多年的工作中解決一些基本問題，如檢測和冷卻。對于原子鐘來說，人們必須將粒子極度冷卻，以便盡可能地阻止它們，從而讀出它們在靜止狀態(tài)下的頻率。然而，高電荷離子是通過創(chuàng)造一個極熱的等離子體產(chǎn)生的。由于其極端的原子結(jié)構(gòu)，高電荷離子不能用激光直接冷卻，標準檢測方法也不能使用。 海德堡的MPIK和PTB的QUEST研究所之間的合作解決了這個問題，從熱等離子體中分離出一個單一的高電荷氬離子，并將其與一個單電荷鈹離子一起儲存在一個離子阱中。這使得高電荷離子可以被間接冷卻并通過鈹離子進行研究。

隨后，研究人員在MPIK建造了一個先進的低溫陷阱系統(tǒng)，并在PTB完成了實驗，這些實驗部分是由在各機構(gòu)之間轉(zhuǎn)換的學生進行的。隨后，在PTB開發(fā)的一種量子算法成功地將高電荷離子進一步冷卻，即接近量子力學基態(tài)。這相當于絕對零度以上200百萬分之一開爾文的溫度。這些結(jié)果已經(jīng)在2020年的《自然》雜志和2021年的《物理評論X》雜志上發(fā)表。

現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)成功地邁出了下一步。他們已經(jīng)實現(xiàn)了一個基于十三倍帶電氬離子的光學原子鐘，并將其與PTB現(xiàn)有的鐿離子鐘的走時進行比較。為了做到這一點，他們必須對該系統(tǒng)進行非常詳細的分析，以便了解例如高度帶電離子的運動和外部干擾場的影響。

結(jié)果他們實現(xiàn)了1017分之2的測量不確定性，這與許多目前運行的光學原子鐘相當。研究小組負責人皮特-施密特說："我們期望通過技術(shù)改進進一步降低不確定性，這應(yīng)該使我們的研究成果進入最優(yōu)秀的原子鐘的行列。" 研究人員創(chuàng)造了一個與現(xiàn)有光學原子鐘相比的強有力的競爭者，例如，基于單個鐿離子或中性鍶原子的光學原子鐘，所使用的方法是普遍適用的，可以研究許多不同的高電荷離子。 這些包括可用于搜索粒子物理學標準模型的擴展的原子系統(tǒng)，其他高電荷離子對精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的變化和某些暗物質(zhì)候選物特別敏感，這些候選物在標準模型之外的模型中是需要的，但用以前的方法無法檢測到。

審核編輯 ：李倩