Высокозаряженные ионы — распространенная форма материи в космосе, где они находятся, например, на Солнце или других звездах. Они так называются, потому что потеряли много электронов и поэтому имеют высокий положительный заряд. Вот почему самые внешние электроны сильнее связаны с атомным ядром, чем в нейтральных или слабо заряженных атомах.

По этой причине сильно заряженные ионы менее сильно реагируют на помехи от внешних электромагнитных полей, но становятся более чувствительными зондами фундаментальных эффектов специальной теории относительности, квантовой электродинамики и атомного ядра.

«Поэтому мы ожидали, что оптические атомные часы с высокозаряженными ионами помогут нам лучше проверить эти фундаментальные теории», — объясняет физик PTB Лукас Шпис. Эта надежда уже оправдалась: «Мы смогли обнаружить квантовую электродинамическую ядерную отдачу, важное теоретическое предсказание, в системе с пятью электронами, чего не было достигнуто ни в одном другом эксперименте ранее».

Предварительно команде пришлось за годы работы решить некоторые фундаментальные проблемы, такие как обнаружение и охлаждение: для атомных часов нужно очень сильно охладить частицы, чтобы максимально остановить их и, таким образом, считать их частоту. Однако сильно заряженные ионы производятся путем создания чрезвычайно горячей плазмы.

Из-за их экстремальной атомной структуры высокозаряженные ионы нельзя охлаждать напрямую с помощью лазерного излучения, а также нельзя использовать стандартные методы обнаружения. Эта проблема была решена благодаря сотрудничеству между MPIK в Гейдельберге и Институтом QUEST в PTB путем выделения одного высокозаряженного иона аргона из горячей плазмы и его хранения в ионной ловушке вместе с однозарядным ионом бериллия.

Это позволяет косвенно охлаждать сильно заряженный ион и изучать его с помощью иона бериллия. Затем в МПИК была построена усовершенствованная система криогенных ловушек, которая была доработана в ПТБ для следующих экспериментов, что частично проводились студентами, меняющимися между учреждениями.

Впоследствии квантовый алгоритм, разработанный в PTB, позволил еще больше охладить сильно заряженный ион, а именно близко к квантово-механическому основному состоянию. Это соответствовало температуре в 200 миллионных долей Кельвина выше абсолютного нуля. Эти результаты уже были опубликованы в Nature в 2020 году и в Physical Review X в 2021 году.

Теперь исследователи успешно сделали следующий шаг: они создали оптические атомные часы на основе тринадцатикратно заряженных ионов аргона и сравнили их ход с существующими иттербиевыми ионными часами в PTB. Для этого им пришлось очень подробно проанализировать систему, чтобы понять, например, движение высокозаряженного иона и влияние внешних интерференционных полей.

Они достигли погрешности измерения 2 части на 10 ¹⁷ , что сравнимо со многими действующими в настоящее время оптическими атомными часами. «Мы ожидаем дальнейшего снижения неопределенности за счет технических усовершенствований, которые должны вывести нас на один уровень с лучшими атомными часами», — говорит руководитель исследовательской группы Пит Шмидт.

Таким образом, исследователи создали серьезную конкуренцию существующим оптическим атомным часам, основанным, например, на отдельных ионах иттербия или нейтральных атомах стронция. Используемые методы универсальны и позволяют изучать множество различных высокозарядных ионов. К ним относятся атомные системы, которые можно использовать для поиска расширений Стандартной модели физики элементарных частиц.

Другие сильно заряженные ионы особенно чувствительны к изменениям постоянной тонкой структуры и к некоторым кандидатам в темную материю, которые необходимы в моделях, выходящих за рамки Стандартной модели, но не могли быть обнаружены с помощью предыдущих методов.