ساخت ساعت اتمی جدید با یون ستاره‌ها

فیزیکدانان نوع جدیدی از ساعت اتمی نوری مبتنی‌بر یون‌های با بار بالا طراحی و آزمایش کرده اند که رقیب جدی برای ساعت های اتمی نوری موجود است.

یون‌های دارای بار زیاد، موادی هستند که معمولاً در کیهان مانند خورشید یا سایر ستارگان یافت می‌شوند. آن‌ها را سنگین (highly charged) می‌نامند؛ زیرا الکترون‌های زیادی را از دست داده‌اند و بنابراین دارای بار مثبت شدید هستند؛ در نتیجه، بیرونی‌ترین الکترون‌های موجود در یون‌های سنگین در مقایسه با اتم‌های خنثی یا دارای بار ضعیف با شدت بیشتری به هسته اتم متصل می‌شوند. این امر باعث می‌شود یون‌های سنگین کمتر تحت تأثیر میدان‌های الکترومغناطیسی خارجی قرار گیرند؛ اما به اثرات بنیادی نسبیت خاص، الکترودینامیک کوانتومی و هسته اتم حساس‌تر باشند.

لوکاس اشپیس (Lukas Spieß)، فیزیکدان مؤسسه فدرال فیزیک و مهندسی در آلمان، توضیح می‌دهد: انتظار داشتیم یک ساعت اتمی نوری با یون‌های سنگین به ما کمک کند که این نظریه‌های بنیادی را بهتر آزمایش کنیم. ما توانستیم پس‌زنی هسته‌ای الکترودینامیک کوانتومی، یک پیش‌بینی نظری مهم را در یک سیستم پنج‌الکترونی تشخیص دهیم که قبلاً در هیچ آزمایش دیگری به‌دست نیامده بود.

قبلاً، فیزیکدانان مجبور بودند طی سال‌ها تلاش، برخی مشکلات اساسی مانند تشخیص و خنک‌سازی را حل کنند: برای ساعت‌های اتمی، باید ذرات را به‌شدت خنک کنند تا آن‌ها به اندازه ممکن متوقف شوند تا بتوان فرکانس آن‌ها را در حالت سکون خواند. با این حال، یون‌های سنگین با ایجاد یک پلاسمای بسیار داغ تولید می‌شوند. یون‌های سنگین ساختار اتمی قدرتمندی دارند؛ بنابراین نمی‌توان آن‌ها را به صورت مستقیم با نور لیزر خنک کرد و از روش‌های تشخیص استاندارد نیز نمی‌توان استفاده کرد.

این مشکل با همکاری مؤسسه فیزیک اتمی ماکس پلانک در شهر هایدلبرگ آلمان و مؤسسه فدرال فیزیک و مهندسی (در آلمان) با جداسازی یک یون سنگین آرگون از یک پلاسمای داغ و ذخیره آن در یک تله یون همراه با یک یون بریلیُم تک‌اتمی حل شد. با این روش، یون سنگین به طور غیرمستقیم خنک می‌شود.

محققان گام بعدی را نیز با موفقیت برداشته‌اند: آن‌ها یک ساعت اتمی نوری مبتنی‌بر یون‌های آرگون که ۱۳ برابر بیشتر بار دارند، ساخته‌اند و اندازه‌گیری زمان توسط آن را با اندازه‌گیری زمان توسط ساعت یون ایتربیوم موجود در مؤسسه فدرال فیزیک و مهندسی مقایسه کرده‌اند