Cientistas do PTB e do Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK), ambos na Alemanha, realizaram medições ópticas pioneiras de íons altamente carregados com precisão sem precedentes. Para fazer isso, eles isolaram um único íon Ar13 + de um plasma extremamente quente e o trouxeram praticamente para descansar dentro de uma armadilha de íons junto com um resfriado a laser, íon com carga única. Empregando espectroscopia de lógica quântica no par de íons, eles aumentaram a precisão relativa por um fator de cem milhões em relação aos métodos anteriores.

Isso abre uma infinidade de íons altamente carregados para novos relógios atômicos e novas avenidas na busca por uma nova física.

Os íons altamente carregados são - embora pareçam exóticos - uma forma muito natural de matéria visível. Toda a matéria em nosso sol e em todas as outras estrelas é altamente ionizada, por exemplo. De muitas maneiras, Contudo, íons altamente carregados são mais extremos do que átomos neutros ou íons com carga única. Devido à sua alta carga positiva, os elétrons externos da camada atômica estão mais fortemente ligados ao núcleo atômico. Eles são, portanto, menos sensíveis a perturbações por campos eletromagnéticos externos. Por outro lado, em comparação com átomos neutros e com carga única, os efeitos da relatividade especial e da eletrodinâmica quântica, bem como a interação com o núcleo atômico, são consideravelmente aumentados. Íons altamente carregados são, portanto, sistemas ideais para relógios atômicos precisos que podem ser usados ​​para testar a física fundamental. Os elétrons externos nesses sistemas servem como "sensores quânticos" sensíveis para efeitos como forças e campos previamente desconhecidos. Uma vez que cada elemento da tabela periódica fornece tantos estados de carga quantos elétrons na camada atômica, existe uma grande variedade de sistemas atômicos para escolher.

A data, Contudo, As técnicas de medição estabelecidas, como as usadas em relógios atômicos ópticos, não podiam ser aplicadas a íons altamente carregados. O principal obstáculo se manifesta já no processo de sua produção:uma grande quantidade de energia é necessária para remover um número significativo de elétrons dos átomos, e os íons então existem na forma de um plasma tão quente quanto o próprio Sol. Contudo, os experimentos mais precisos e precisos requerem exatamente o oposto:as temperaturas mais baixas possíveis e condições ambientais bem controladas para reduzir os deslocamentos e o alargamento das linhas espectrais a serem medidas. Isso é dificultado pelo fato de que íons altamente carregados não podem ser resfriados a laser diretamente, e os métodos de detecção convencionais não podem ser aplicados devido à sua estrutura atômica.

Físicos da Physikalisch-Technische Bundesanstalt e do Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg agora combinaram soluções individuais para cada um desses problemas em um experimento único em todo o mundo no Instituto QUEST de Metrologia Quântica Experimental em Braunschweig. Eles isolaram um único íon altamente carregado (Ar ₁₃ ⁺ ) de uma fonte de íons de plasma quente e armazenado junto com um íon de berílio com carga única em uma armadilha de íons. Este último pode ser resfriado a laser de forma muito eficiente e, por meio da interação elétrica mútua, a temperatura de todo o par de íons pode ser reduzida. Eventualmente, esse chamado "resfriamento simpático" forma um cristal de dois íons que "congela" completamente no estado fundamental do movimento da mecânica quântica a uma temperatura equivalente a apenas alguns milionésimos de grau acima do zero absoluto.

Usando um laser ultraestável, os cientistas resolveram com precisão a estrutura espectral do Ar ₁₃ ⁺ íon em um procedimento de medição semelhante ao usado em relógios de última geração. Por esta, eles aplicaram o conceito de lógica quântica, em que o sinal da espectroscopia é transferido coerentemente do íon altamente carregado para o íon berílio por meio de dois pulsos de laser. O estado quântico do íon berílio é muito mais fácil de determinar por meio da excitação a laser. "Descritivamente, o íon berílio "escuta" o estado do íon menos comunicativo e altamente carregado e nos informa sobre seu estado, "explica Piet Schmidt, chefe da colaboração. "Aqui, melhoramos a precisão relativa para íons altamente carregados por um fator de cem milhões em comparação com a espectroscopia tradicional, "acrescenta Peter Micke, assistente de pesquisa no Instituto QUEST e primeiro autor do artigo.

A combinação de todos esses métodos estabelece um conceito muito geral que pode ser aplicado à maioria dos íons altamente carregados. O íon berílio pode sempre ser usado como um chamado íon lógico e o processo de produção dos íons altamente carregados no plasma com o subsequente isolamento de um único íon é independente da escolha do tipo atômico e do estado de carga.

José Crespo, chefe do grupo no Instituto Max Planck de Física Nuclear, enfatiza:"Esta experiência abre uma oportunidade sem precedentes, área extremamente extensa de sistemas atômicos a serem usados ​​em espectroscopia de precisão, bem como para futuros relógios com propriedades especiais. "Para pesquisa básica, a grande variedade desses novos, "sensores quânticos" personalizados permitem uma investigação promissora de questões fundamentais:Nosso modelo padrão de física de partículas está completo? O que é matéria escura? As constantes fundamentais são realmente constantes?

O estudo é relatado em Natureza .