據(jù)發(fā)表于最近《自然》雜志的一項研究，德國聯(lián)邦材料研究與測試研究所(PTB)科學家首次展示了基于高電荷態(tài)離子的光學時鐘。這一成果為建造極其精確的高電荷態(tài)離子鐘鋪平了道路，該鐘可在計時和進一步探索基礎物理學方面得到應用。

高電荷態(tài)離子是宇宙中一種常見的物質(zhì)形式，在太陽或其他恒星中可發(fā)現(xiàn)它們。它們失去了許多電子，因此具有很高的正電荷。這就是為什么最外層的電子與原子核的結(jié)合比中性或帶弱電的原子更強。

出于這個原因，高電荷態(tài)離子對外部電磁場的干擾反應不那么強烈，成為對狹義相對論、量子電動力學和原子核的基本效應更敏感的探測器。

PTB物理學家盧卡斯·斯皮伯解釋說，一個帶有高電荷態(tài)離子的光學原子鐘有助于更好地檢驗這些基本理論。“我們能夠在一個五電子系統(tǒng)中探測到量子電動核反沖，這是一個重要的理論預測，這是在以前的任何其他實驗中都未能實現(xiàn)的。”

此前，研究人員從熱等離子體中分離出單個高電荷的氬離子，并將其與單個帶電的鈹離子一起存儲在離子陷阱中。這使得高電荷態(tài)離子可被間接冷卻，并通過鈹離子進行研究。

隨后，PTB開發(fā)的量子算法成功地進一步冷卻了高電荷態(tài)離子，即接近量子力學基態(tài)。這相當于絕對零度以上2億分之一開氏度。這些結(jié)果已于2020年和2021年分別發(fā)表在《自然》和《物理評論X》上。

研究人員此次成功地邁出了下一步：他們實現(xiàn)了一個基于13倍帶電氬離子的光學原子鐘，并將其與PTB現(xiàn)有的鐿離子鐘進行了比較。其綜合評估的系統(tǒng)頻率不確定度為2.2×10-17，可與許多運行中的光時鐘相媲美。

研究人員創(chuàng)造了現(xiàn)有光學原子鐘的一個有力競爭對手，其所使用的方法是普遍適用的，允許研究許多不同的高電荷態(tài)離子，其中包括可用于搜索粒子物理標準模型的擴展原子系統(tǒng)。