دانشمندان نوع جدیدی از ساعت اتمی نوری ساختند

دانشمندان موسسه QUEST در دانشگاه فنی براونشوایگ نوع جدیدی از ساعت اتمی نوری را توسعه داده و آزمایش کرده اند.

به گزارش تکناک، یون های با بار زیاد نوعی ماده هستند که معمولاً در کیهان مانند خورشید یا سایر ستارگان یافت می شوند.

آنها را به شدت باردار می نامند زیرا الکترون های زیادی را از دست داده اند بنابراین دارای بار مثبت قوی هستند.

در نتیجه، بیرونی‌ترین الکترون‌های موجود در یون‌های با بار زیاد، قوی‌تر از اتم‌های خنثی با بار ضعیف به هسته اتم متصل می‌شوند. این امر باعث می‌شود یون‌های باردار کمتر تحت تأثیر میدان‌های الکترومغناطیسی خارجی قرار بگیرند، اما نسبت به اثرات بنیادی نسبیت خاص، الکترودینامیک کوانتومی و هسته های اتمی حساس‌تر باشند.

لوکاس اسپیس، فیزیکدان  از دانشگاه فنی براونشوایگ توضیح می دهد: بنابراین، ما انتظار داشتیم که یک ساعت اتمی نوری با یون های بسیار باردار به ما کمک کند تا این نظریه های بنیادی را بهتر آزمایش کنیم.

این امید قبلا جامه عمل پوشانده شده بود: ما توانستیم پس‌زدگی هسته‌ای الکترودینامیکی کوانتومی را که یک پیش‌بینی نظری مهم است، در یک سیستم پنج الکترونی تشخیص دهیم، این مورد قبلا در هیچ آزمایش دیگری به دست نیامده بود.

پیش از این، تیم مجبور بود در طول سال‌ها کار، برخی مشکلات اساسی مانند تشخیص و خنک‌سازی را حل کند. در ساعت های اتمی، برای اینکه ذرات تا حد امکان متوقف شوند باید خنک نگه داشته شوند با این حال، یون‌های باردار بالا با ایجاد یک پلاسمای بسیار داغ تولید می‌شوند. به دلیل ساختار اتمی شدیدشان، یون‌های با بار زیاد نمی‌توانند مستقیماً با نور لیزر خنک شوند و از روش‌های تشخیص استاندارد نیز نمی‌توان استفاده کرد.

این مشکل با همکاری MPIK در هایدلبرگ و موسسه QUEST در دانشگاه فنی براونشوایگ با جداسازی یک یون بسیار باردار آرگون از یک پلاسمای داغ و به دام انداختن آن در یک تله یونی به همراه یک یون بریلیم تک بار حل شد. این اجازه می دهد تا یون بسیار باردار به طور غیرمستقیم سرد شود و با استفاده از یون بریلیوم مورد مطالعه قرار گیرد.

در ادامه یک سیستم تله برودتی پیشرفته در MPIK ساخته شد و در دانشگاه فنی براونشوایگ برای آزمایش‌های فنی نهایی شد، که تا حدی توسط دانشجویانی که بین مؤسسات جابجا می‌شدند انجام شد. متعاقباً، یک الگوریتم کوانتومی توسعه یافته در PTB موفق شد یون بسیار باردار را حتی بیشتر خنک کند، یعنی نزدیک به حالت پایه مکانیکی کوانتومی. این مربوط به دمای 200 میلیونیم کلوین بالای صفر مطلق است. این نتایج قبلاً در مجله Nature در سال 2020 و در مجله Physical Review X در سال 2021 منتشر شده بود.

اکنون محققان گام بعدی را با موفقیت برداشته‌اند. آنها رویای ساخت یک ساعت اتمی نوری مبتنی بر یون های آرگون که سیزده برابر بیشتر باردار شده اند را تحقق بخشیده اند و تیک تاک آن را با ساعت یون ایتربیوم موجود در دانشگاه فنی براونشوایگ مقایسه کرده اند. برای انجام این کار، آنها باید سیستم را با جزئیات زیادی تجزیه و تحلیل می کردند تا به عنوان مثال، حرکت یون بسیار باردار و اثرات میدان های تداخل خارجی را درک کنند.

آنها در سال 1017  از عمر ساعت به عدم قطعیت اندازه گیری 2 قسمتی دست یافتند که قابل مقایسه با بسیاری از ساعت های اتمی نوری که در حال حاضر کار می کنند است. پیت اشمیت، رهبر گروه تحقیقاتی می‌گوید: ما انتظار کاهش بیشتر عدم قطعیت را از طریق بهبودهای فنی داریم، که باید ما را به محدوده بهترین ساعت‌های اتمی برساند.

بنابراین محققان رقیبی جدی برای ساعت‌های اتمی نوری موجود ایجاد کرده‌اند که برای مثال بر اساس یون‌های ایتربیوم یا اتم‌های استرانسیوم خنثی هستند. روش های مورد استفاده در سراسر جهان قابل اجرا هستند و امکان مطالعه یون های مختلف با بار بالا را فراهم می کنند.

اینها شامل سیستم های اتمی است که می توانند برای جستجوی توسعه های مدل استاندارد فیزیک ذرات استفاده شوند. سایر یون‌های با بار بالا به‌ویژه به تغییرات در ساختار ثابت ظریف و مواد تاریک که در مدل‌های فراتر از مدل استاندارد مورد نیاز است حساس هستند اما با روش‌های قبلی قابل تشخیص نیستند.