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长三角G60激光联盟导读
据悉 ， 高电荷离子是宇宙中常见的物质形式 ， 在太阳或其他恒星中可以找到它们 。 之所以这样叫 ， 是因为它们失去了很多电子 ， 因此带有很高的正电荷 。 这就是为什么最外层的电子与原子核的结合比中性或带弱电荷的原子更紧密 。
高电荷离子钟的激光询问图解（艺术品） 。 来源：PTB
由于这个原因 ， 高电荷离子对外部电磁场的干扰反应不那么强烈 ， 而是成为狭义相对论、量子电动力学和原子核基本效应的更灵敏的探测器 。
“因此 ， 我们期望一个带有高电荷离子的光学原子钟能帮助我们更好地测试这些基本理论 。 ”PTB物理学家Lukas Spie?解释道 ， 这一希望已经实现 。 他说：“我们能够在five-电子系统中探测到量子电动力核后坐力 ， 这是一个重要的理论预测 ， 这在之前的任何其他实验中都没有实现过 。 ”
【世界上第一个带有高电荷离子的光学原子钟】
光学频率比较方法的方案 。
在此之前 ， 该团队必须在数年的工作中解决一些基本问题 ， 如检测和冷却:对于原子钟来说 ， 为了尽可能地停止它们 ， 必须将粒子冷却到极低 ， 从而读出它们静止时的频率 。 然而 ， 高电荷离子是通过创造极热的等离子体而产生的 。
由于其极端的原子结构 ， 高电荷离子不能直接用激光冷却 ， 标准的检测方法也不能使用 。 海德堡的MPIK和PTB的QUEST研究所合作解决了这个问题 ， 他们从热等离子体中分离出一个高电荷的氩离子 ， 并将其与一个单电荷的铍离子一起存储在离子阱中 。
本工作中使用的塞曼元件用于Ar13+时钟 。
这使得高电荷离子可以被间接冷却 ， 并通过铍离子的方法进行研究 。 随后在MPIK建立了一个先进的低温阱系统 ， 并在PTB完成了接下来的实验 ， 部分实验是由学生在各机构之间切换进行的 。
随后 ， 在PTB开发的量子算法成功地进一步冷却了高荷电离子 ， 即接近量子力学基态 。 这相当于绝对零度以上200万分之一开尔文的温度 。 这些结果已于2020年发表在《Nature》杂志上 ， 并于2021年发表在《Physical Review X》上 。
40Ar13+和171Yb+跃迁频率之间比率的不稳定性 。
现在 ， 研究人员已经成功地进行了下一步:他们已经实现了基于13倍带电氩离子的光学原子钟 ， 并将其滴答声与PTB现有的镱离子钟进行了比较 。 为了做到这一点 ， 他们必须非常详细地分析系统 ， 以便理解 ， 例如 ， 高荷电离子的运动和外部干扰场的影响 。
“我们希望通过技术改进进一步减少不确定性 ， 这将使我们进入最佳原子钟的范围 。 ”研究小组负责人Piet Schmidt说 。
因此 ， 研究人员创造了一种与现有光学原子钟(例如 ， 基于单个镱离子或中性锶原子)相竞争的有力对手 。 所使用的方法是普遍适用的 ， 并允许许多不同的高荷电离子进行研究 。 其中包括可以用来寻找粒子物理学标准模型扩展的原子系统 。
其他高电荷离子对精细结构常数的变化和某些暗物质候选物质特别敏感 ， 这些物质在标准模型以外的模型中是必需的 ， 但用以前的方法无法检测到 。
来源：An optical atomic clock based on a highly charged ion Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4. www.nature.com/articles/s41586-022-05245-4
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