Een nieuwe deur naar de kwantumwereld is geopend:wanneer een atoom energie absorbeert of vrijgeeft via de kwantumsprong van een elektron, het wordt zwaarder of lichter. Dit kan worden verklaard door Einsteins relativiteitstheorie (E =mc ² ). Echter, het effect is minuscuul voor een enkel atoom. Hoe dan ook, het team van Klaus Blaum en Sergey Eliseev van het Max Planck Instituut voor Kernfysica heeft voor het eerst met succes deze oneindig kleine verandering in de massa van individuele atomen gemeten. Om dit te bereiken, ze gebruikten de ultraprecieze Pentatrap-atoombalans van het Instituut in Heidelberg. Het team ontdekte een voorheen niet-waargenomen kwantumtoestand in rhenium, wat interessant zou kunnen zijn voor toekomstige atoomklokken. Bovenal, deze uiterst gevoelige atomaire balans maakt een beter begrip mogelijk van de complexe kwantumwereld van zware atomen.

Verbazingwekkend, maar waar:als je een mechanisch horloge opwindt, het wordt zwaarder. Hetzelfde gebeurt wanneer u uw smartphone oplaadt. Dit kan worden verklaard door de equivalentie van energie (E) en massa (m), die Einstein uitdrukte in de meest bekende formule in de natuurkunde:E =mc ² (c:lichtsnelheid in vacuüm). Echter, dit effect is zo klein dat het onze dagelijkse ervaring volledig ontgaat. Een conventionele weegschaal zou het niet kunnen detecteren.

Maar aan het Max Planck Instituut voor Kernfysica in Heidelberg, er is een balans die dat kan:Pentatrap. Het kan de minuscule verandering in massa van een enkel atoom meten wanneer een elektron energie absorbeert of vrijgeeft via een kwantumsprong, waardoor een nieuwe wereld voor precisiefysica wordt geopend. Dergelijke kwantumsprongen in de elektronenschillen van atomen vormen onze wereld - of het nu gaat om levengevende fotosynthese en algemene chemische reacties of bij het creëren van kleur en onze visie.

Een mier bovenop een olifant

Rima Schüssler, nu een postdoctoraal onderzoeker aan het Max Planck Institute for Nuclear Physics, heeft meegewerkt aan de opbouw van Pentatrap sinds het afronden van haar masterscriptie in 2014. Ze is de hoofdauteur van een paper over een onverwachte ontdekking die is gedaan in een samenwerking in het Max Planck PTB Riken Centre:In rhenium, er is een voorheen onontdekte elektronische kwantumtoestand met bijzondere eigenschappen. Schüssler gebruikt de volgende analogie om de mate van gevoeligheid te beschrijven waarmee Pentatrap de sprong van een elektron naar deze kwantumtoestand kan detecteren via de massaverandering van een rheniumatoom:"Door een olifant van zes ton te wegen, we konden vaststellen of er een mier van tien milligram op kroop."

Pentatrap bestaat uit vijf Penning-vallen. Om zo'n val een atoom te laten wegen, het moet elektrisch geladen zijn (d.w.z. een ion worden). Omdat rhenium van 29 van zijn 75 elektronen is ontdaan, het is sterk geladen. Dit verhoogt de nauwkeurigheid van de meting aanzienlijk. De val vangt dit sterk geladen rhenium-ion op in een combinatie van een magnetisch veld en een speciaal gevormd elektrisch veld. Binnenkant, het reist in een cirkelvormig pad, die op een ingewikkelde manier in zichzelf is verdraaid. In principe, het kan worden gezien als een bal aan een touw, die in de lucht mag draaien. Als dit met constante kracht wordt gedaan, een zwaardere bal roteert langzamer dan een lichtere.

Een extreem langlevende kwantumtoestand in rhenium

In Pentatrap, twee rhenium-ionen roteerden afwisselend in de gestapelde vallen. Eén ion bevond zich in de energetisch laagste kwantumtoestand. Toen het tweede ion werd gegenereerd, een elektron werd willekeurig in een hogere toestand geëxciteerd door energie te leveren. In zekere zin, het was de wondwacht. Door de opgeslagen energie het werd iets zwaarder en circuleerde dus langzamer dan het eerste ion. Pentatrap telt nauwkeurig het aantal omwentelingen per tijdseenheid. Het verschil in het aantal omwentelingen leverde de gewichtstoename op.

Met behulp van deze methode, het team ontdekte een extreem langlevende kwantumtoestand in rhenium. Het is metastabiel (d.w.z. het vervalt na een bepaalde levensduur). Volgens berekeningen van theoretici van het instituut onder leiding van Zoltán Harman en Christoph H. Keitel, de Universiteit van Heidelberg, en het Kastler Brossel-laboratorium in Parijs, dit is 130 dagen. De positie van de kwantumtoestand komt ook vrij goed overeen met modelberekeningen met behulp van state-of-the-art kwantummechanische methoden.

Mogelijke toepassing in toekomstige atoomklokken

Dergelijke aangeslagen elektronische toestanden in sterk geladen ionen zijn interessant voor zowel fundamenteel onderzoek als voor mogelijke toepassing in toekomstige atoomklokken, zoals onderzocht door de werkgroep van José Crespo López-Urrutia van het Instituut in samenwerking met de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Voor hen, de metastabiele toestand in rhenium is om verschillende redenen aantrekkelijk. Eerst, vanwege de lange levensduur, het komt overeen met een scherpe baanfrequentie van het elektron rond de atoomkern. Tweede, het elektron kan worden aangeslagen met zacht röntgenlicht om in deze kwantumtoestand te springen. In principe, zo'n klok zou sneller en dus nog nauwkeuriger kunnen tikken dan de huidige generatie optische atoomklokken. Echter, volgens Ekkehard Peik, die de leiding heeft over de afdeling Tijd en Frequentie bij PTB en die niet bij de werkzaamheden betrokken was, het is nog te vroeg om te speculeren of de ontdekking geschikt zou kunnen zijn voor een nieuwe generatie atoomklokken.

"Hoe dan ook, deze nieuwe methode voor het ontdekken van langlevende kwantumtoestanden is spectaculair, ", zegt de natuurkundige. Hij stelt zich voor dat atoomklokken die met zulke nieuwe kwantumtoestanden werken in eerste instantie een nieuw testveld voor fundamenteel onderzoek zouden kunnen bieden. Omdat de reniumionen veel onderling afschermende elektronen missen, de overige elektronen voelen bijzonder sterk het elektrische veld van de atoomkern. De elektronen racen daarom met zulke hoge snelheden rond de kern dat hun beweging moet worden beschreven met behulp van de speciale relativiteitstheorie van Einstein. Met de nieuwe atomaire balans, het zou ook mogelijk zijn om met hoge precisie te testen of de speciale relativiteitstheorie en de kwantumtheorie op elkaar inwerken zoals beschreven door deze theorie.

In het algemeen, de nieuwe atomaire balans biedt een nieuwe toegang tot het kwantumachtige innerlijke leven van zwaardere atomen. Omdat deze uit veel deeltjes bestaan ​​- elektronen, protonen, en neutronen - ze kunnen niet precies worden berekend. De atoommodellen voor theoretische berekeningen zijn daarom gebaseerd op vereenvoudigingen, en deze zijn nu uiterst nauwkeurig te controleren. Het is misschien mogelijk om dergelijke atomen als sondes te gebruiken bij het zoeken naar onbekende deeltjes, die alleen kan worden gedetecteerd door de extreem zwakke zwaartekracht. Deze donkere materie is een van de grootste onopgeloste mysteries van de natuurkunde.

Op weg naar nieuwe fysica

Ook met Pentatrap [Phys. ds. Lett. 124, 113001]. De Heidelberg-onderzoekers voerden massametingen uit aan een keten van vijf paar xenon-isotopen. Met behulp van laserspectroscopie met hoge resolutie op vergelijkbare ketens van andere elementen zoals calcium en ytterbium, uit de kleine energieverschillen kan een lineair verband worden afgeleid (isotoopverschuiving). Niet-lineaire afwijkingen hiervan kunnen, echter, een indicatie zijn van nieuwe fysica (verdere fundamentele interacties, nieuwe deeltjes, donkere materie), die zich manifesteert onder uiterst nauwkeurige observatie - een alternatief voor experimenten met hoge energie. Hier ook, nauwe samenwerking met theorie (groep van Zoltan Harman bij MPIK) moet worden benadrukt. De directe meting van de bindingsenergie van een elektron in een sterk geladen ion toont een zeer goede overeenkomst met relativistische atomaire structuurberekeningen. Hierdoor ontstaat de basis b.v. voor toekomstige uiterst nauwkeurige tests van kwantumelektrodynamica.