نوع جدیدی از ساعت اتمی نوری ساخته شد

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه (سای تک دیلی)، یون‌های با بار زیاد نوعی ماده هستند که معمولاً در کیهان مانند خورشید یا سایر ستارگان یافت می‌شوند. آن‌ها را «باردار زیاد» می‌نامند، زیرا الکترون‌های زیادی را از دست داده اند و بنابراین دارای بار مثبت قوی هستند.

در نتیجه، بیرونی‌ترین الکترون‌های موجود در یون‌های با بار زیاد، قوی‌تر از اتم‌های خنثی یا 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 اتم حساس‌تر باشند.

لوکاس اسپیس، فیزیکدان Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) توضیح می‌دهد: بنابراین، ما انتظار داشتیم که یک ساعت اتمی نوری با یون‌های بسیار باردار به ما کمک کند تا این نظریه‌های بنیادی را بهتر آزمایش کنیم.

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

پیش از این، تیم مجبور شد در طول سال‌ها کار، برخی مشکلات اساسی مانند تشخیص و خنک‌سازی را حل کند: برای ساعت‌های اتمی، باید ذرات را به شدت خنک کرد تا تا حد امکان متوقف شوند و بنابراین فرکانس آن‌ها را در باقی مانده. با این حال، یون‌های باردار بالا با ایجاد یک پلاسمای بسیار داغ تولید می‌شوند.

به دلیل ساختار اتمی شدیدشان، یون‌های دارای 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 PTB با جداسازی یک یون آرگون بسیار باردار از یک پلاسمای داغ و ذخیره آن در یک تله یون همراه با یک یون بریلیم تک بار حل شد. این اجازه می‌دهد تا یون بسیار باردار به طور غیرمستقیم خنک شود و با استفاده از یون بریلیم مورد مطالعه قرار گیرد.

سپس یک سیستم تله برودتی پیشرفته در MPIK ساخته شد و در PTB برای آزمایش‌های زیر نهایی شد، که تا حدی توسط دانش‌آموزانی 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 ۲۰۰ میلیونیم کلوین بالای صفر مطلق است. این نتایج قبلاً در مجله Nature در سال ۲۰۲۰ و در مجله Physical Review X در سال ۲۰۲۱ منتشر شده بود.

اکنون محققان گام بعدی را با موفقیت برداشته‌اند: آن‌ها یک ساعت اتمی نوری مبتنی بر یون‌های آرگون باردار سیزده برابر را کشف کرده‌اند و تیک تاک را با ساعت یون ایتربیوم موجود در PTB مقایسه کرده‌اند. برای انجام این کار، آن‌ها باید سیستم را با جزئیات زیادی تجزیه و تحلیل می‌کردند تا به عنوان مثال، حرکت یون بسیار باردار و اثرات میدان‌های تداخل خارجی را درک کنند.

آن‌ها در سال ۱۰۱۷ به عدم قطعیت اندازه گیری ۲ قسمتی دست یافتند - قابل مقایسه با بسیاری از ساعت‌های اتمی نوری که در حال حاضر کار می‌کنند. 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.

روش‌های مورد استفاده در سراسر جهان قابل اجرا هستند و امکان مطالعه یون‌های مختلف با بار بالا را فراهم می‌کنند.

این‌ها شامل سیستم‌های اتمی است که می‌توانند برای جستجوی پسوند‌های مدل استاندارد فیزیک ذرات استفاده شوند.

سایر یون‌های با بار بالا به‌ویژه به تغییرات در ساختار ریز و مواد تاریک خاصی که در مدل‌های فراتر از مدل استاندارد مورد نیاز هستند، اما با روش‌های قبلی قابل تشخیص نیستند، حساس هستند.