Kvantelogisk spektroskopi frigør potentialet for højt ladede ioner

Forskere fra PTB og Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK), både Tyskland, har udført banebrydende optiske målinger af højt ladede ioner med hidtil uset præcision. At gøre dette, de isolerede en enkelt Ar13+ ion fra et ekstremt varmt plasma og bragte det praktisk talt til at hvile inde i en ionfælde sammen med en laserkølet, enkelt ladet ion. Anvender kvantelogisk spektroskopi på ionparret, de har øget den relative præcision med en faktor på hundrede millioner i forhold til tidligere metoder.

Dette åbner op for de mange højt ladede ioner for nye atomure og yderligere veje i søgen efter ny fysik.

Højt ladede ioner er - selvom de tilsyneladende er eksotiske - en meget naturlig form for synligt stof. Alt stof i vores sol og i alle andre stjerner er stærkt ioniseret, for eksempel. På mange måder, imidlertid, højt ladede ioner er mere ekstreme end neutrale atomer eller enkeltladede ioner. På grund af deres høje positive ladning, de ydre elektroner i atomskallen er stærkere bundet til atomkernen. De er derfor mindre følsomme over for forstyrrelser fra eksterne elektromagnetiske felter. På den anden side, sammenlignet med neutrale og enkeltladede atomer, virkningerne af speciel relativitet og kvanteelektrodynamik samt interaktionen med atomkernen forstærkes betydeligt. Højt ladede ioner er derfor ideelle systemer til præcise atomure, der kan bruges til at teste fundamental fysik. De ydre elektroner i disse systemer tjener som følsomme "kvantesensorer" for effekter som hidtil ukendte kræfter og felter. Da hvert enkelt element i det periodiske system giver lige så mange ladningstilstande, som der er elektroner i atomskallen, der findes et stort udvalg af atomsystemer at vælge imellem.

Til dato, imidlertid, etablerede måleteknikker som brugt i optiske atomure kunne ikke anvendes på højt ladede ioner. Den største hindring manifesterer sig allerede i processen med deres produktion:en stor mængde energi er påkrævet for at fjerne et betydeligt antal elektroner fra atomerne, og ionerne eksisterer da i form af et plasma, der er lige så varmt som Solen selv. Imidlertid, de mest præcise og præcise eksperimenter kræver det stik modsatte:de lavest mulige temperaturer og velkontrollerede omgivende forhold for at reducere forskydninger og udvidelse af de spektrallinjer, der skal måles. Dette hindres af, at højt ladede ioner ikke kan laserkøles direkte, og konventionelle detektionsmetoder kan ikke anvendes på grund af deres atomare struktur.

Fysikere fra Physikalisch-Technische Bundesanstalt og Max Planck Instituttet for Kernefysik i Heidelberg har nu kombineret individuelle løsninger på hvert af disse problemer i et verdensomspændende unikt eksperiment på QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology i Braunschweig. De isolerede en enkelt højt ladet ion (Ar ₁₃ ⁺ ) fra en varm plasmaionkilde og opbevarede den sammen med en enkeltladet berylliumion i en ionfælde. Sidstnævnte kan laserkøles meget effektivt og gennem den indbyrdes elektriske vekselvirkning kan temperaturen i hele ionparret reduceres. Til sidst, denne såkaldte "sympatiske afkøling" danner en to-ion krystal, der fuldstændig "fryser" ind i den kvantemekaniske grundtilstand af bevægelse ved en ækvivalent temperatur på kun et par milliontedele af en grad over det absolutte nulpunkt.

Ved hjælp af en ultrastabil laser løste forskerne præcist den spektrale struktur af Ar ₁₃ ⁺ ion i en måleprocedure svarende til den, der bruges i avancerede ure. For det, de anvendte begrebet kvantelogik, hvor spektroskopisignalet overføres kohærent fra den højt ladede ion til beryllium-ionen ved hjælp af to laserimpulser. Berylliumionens kvantetilstand er meget lettere at bestemme via laserexcitation. "Beskrivende, berylliumionen 'aflytter' tilstanden af ​​den mindre kommunikative højladede ion og rapporterer til os om dens tilstand, " forklarer Piet Schmidt, leder af samarbejdet. "Her, vi har forbedret den relative præcision for højt ladede ioner med en faktor på hundrede millioner sammenlignet med traditionel spektroskopi, tilføjer Peter Micke, forskningsassistent ved QUEST Institute og første forfatter til papiret.

Ved at kombinere alle disse metoder etableres et meget generelt koncept, der kan anvendes på de fleste højt ladede ioner. Berylliumionen kan altid bruges som en såkaldt logisk ion og fremstillingsprocessen af ​​de højt ladede ioner i plasmaet med efterfølgende isolering af en enkelt ion er uafhængig af valget af atomart og ladningstilstand.

José Crespo, leder af gruppen ved Max Planck Institute for Nuclear Physics, understreger:"Dette eksperiment åbner op for en hidtil uset, ekstremt omfattende område af atomare systemer, der skal bruges i præcisionsspektroskopi såvel som til fremtidige ure med særlige egenskaber." Til grundforskning, det store udvalg af disse nye, skræddersyede "kvantesensorer" muliggør en lovende undersøgelse af grundlæggende spørgsmål:Er vores standardmodel for partikelfysik komplet? Hvad er mørkt stof? Er fundamentale konstanter virkelig konstante?

Undersøgelsen er rapporteret i Natur .