Wetenschappers van de PTB en het Max Planck Instituut voor Kernfysica (MPIK), zowel Duitsland, hebben baanbrekende optische metingen van hooggeladen ionen uitgevoerd met ongekende precisie. Om dit te doen, ze isoleerden een enkel Ar13+-ion uit een extreem heet plasma en brachten het praktisch tot rust in een ionenval samen met een lasergekoeld, enkelvoudig geladen ion. Gebruikmakend van kwantumlogica-spectroscopie op het ionenpaar, ze hebben de relatieve precisie met een factor honderd miljoen verhoogd ten opzichte van eerdere methoden.

Dit opent de veelheid aan sterk geladen ionen voor nieuwe atoomklokken en verdere wegen in de zoektocht naar nieuwe fysica.

Sterk geladen ionen zijn - hoewel schijnbaar exotisch - een heel natuurlijke vorm van zichtbare materie. Alle materie in onze zon en in alle andere sterren is sterk geïoniseerd, bijvoorbeeld. Op veel manieren, echter, sterk geladen ionen zijn extremer dan neutrale atomen of enkelvoudig geladen ionen. Door hun hoge positieve lading, de buitenste elektronen van de atoomschil zijn sterker gebonden aan de atoomkern. Ze zijn daardoor minder gevoelig voor verstoringen door externe elektromagnetische velden. Anderzijds, vergeleken met neutrale en enkelvoudig geladen atomen, de effecten van de speciale relativiteitstheorie en kwantumelektrodynamica evenals de interactie met de atoomkern worden aanzienlijk versterkt. Hooggeladen ionen zijn daarom ideale systemen voor nauwkeurige atoomklokken die kunnen worden gebruikt om fundamentele fysica te testen. De buitenste elektronen in deze systemen dienen als gevoelige "kwantumsensoren" voor effecten zoals voorheen onbekende krachten en velden. Aangezien elk afzonderlijk element van het periodiek systeem evenveel ladingstoestanden biedt als er elektronen in de atomaire schaal zijn, er bestaat een grote verscheidenheid aan atomaire systemen om uit te kiezen.

Daten, echter, gevestigde meettechnieken zoals gebruikt in optische atoomklokken konden niet worden toegepast op sterk geladen ionen. Het belangrijkste obstakel manifesteert zich al in het proces van hun productie:er is een grote hoeveelheid energie nodig om een ​​aanzienlijk aantal elektronen uit de atomen te verwijderen, en de ionen bestaan ​​dan in de vorm van een plasma zo heet als de zon zelf. Echter, de meest nauwkeurige en nauwkeurige experimenten vereisen precies het tegenovergestelde:de laagst mogelijke temperaturen en goed gecontroleerde omgevingsomstandigheden om verschuivingen en verbreding van de te meten spectraallijnen te verminderen. Dit wordt belemmerd door het feit dat sterk geladen ionen niet direct lasergekoeld kunnen worden, en conventionele detectiemethoden kunnen vanwege hun atomaire structuur niet worden toegepast.

Natuurkundigen van de Physikalisch-Technische Bundesanstalt en het Max Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg hebben nu individuele oplossingen voor elk van deze problemen gecombineerd in een wereldwijd uniek experiment aan het QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology in Braunschweig. Ze isoleerden een enkel sterk geladen ion (Ar ₁₃ ⁺ ) uit een hete plasma-ionenbron en opgeslagen samen met een enkelvoudig geladen beryllium-ion in een ionenval. Deze laatste kan zeer efficiënt met een laser worden gekoeld en door de onderlinge elektrische interactie kan de temperatuur van het gehele ionenpaar worden verlaagd. Eventueel, deze zogenaamde "sympathische koeling" vormt een twee-ion kristal dat volledig "bevriest" in de kwantummechanische grondtoestand van beweging bij een equivalente temperatuur van slechts een paar miljoenste graad boven het absolute nulpunt.

Met behulp van een ultrastabiele laser hebben de wetenschappers de spectrale structuur van de Ar . nauwkeurig opgelost ₁₃ ⁺ ion in een meetprocedure die vergelijkbaar is met die van moderne klokken. Voor deze, ze pasten het concept van kwantumlogica toe, waarbij het spectroscopiesignaal door middel van twee laserpulsen coherent wordt overgedragen van het sterk geladen ion naar het beryllium-ion. De kwantumtoestand van het beryllium-ion is veel gemakkelijker te bepalen via laserexcitatie. "Beschrijvend, het beryllium-ion 'luistert' naar de toestand van het minder communicatieve hooggeladen ion en rapporteert ons over zijn toestand, " legt Piet Schmidt uit, hoofd van de samenwerking. "Hier, we hebben de relatieve precisie voor sterk geladen ionen met een factor honderd miljoen verbeterd in vergelijking met traditionele spectroscopie, " voegt Peter Micke toe, onderzoeksassistent bij het QUEST Institute en eerste auteur van het artikel.

Door al deze methoden te combineren, ontstaat een zeer algemeen concept dat kan worden toegepast op de meeste sterk geladen ionen. Het beryllium-ion kan altijd worden gebruikt als een zogenaamd logisch ion en het productieproces van de sterk geladen ionen in het plasma met daaropvolgende isolatie van een enkel ion is onafhankelijk van de keuze van het atoomtype en de ladingstoestand.

José Crespo, hoofd van de groep bij het Max Planck Instituut voor Kernfysica, benadrukt:"Dit experiment opent een ongekende, zeer uitgebreid gebied van atomaire systemen voor gebruik in precisiespectroscopie en voor toekomstige klokken met speciale eigenschappen." Voor fundamenteel onderzoek, de grote verscheidenheid van deze nieuwe, op maat gemaakte "kwantumsensoren" maken een veelbelovend onderzoek mogelijk van fundamentele vragen:is ons standaardmodel van deeltjesfysica compleet? Wat is donkere materie? Zijn fundamentele constanten echt constant?

Het onderzoek wordt gerapporteerd in Natuur .