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(xué)家首次展示了基于高電荷態(tài)離子的光學(xué)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(chǔ)物理學(xué)方面得到應(yīng)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(yīng)不那么強烈,，成為對狹義相對論,、量子電動力學(xué)和原子核的基本效應(yīng)更敏感的探測器。

PTB物理學(xué)家盧卡斯·斯皮伯解釋說,，一個帶有高電荷態(tài)離子的光學(xué)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(yù)測,，這是在以前的任何其他實驗中都未能實現(xiàn)的?！?/span>

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(xué)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(xué)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(xué)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)。