Scienziati del PTB e del Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK), sia la Germania, hanno effettuato misurazioni ottiche pionieristiche di ioni altamente carichi con una precisione senza precedenti. Per fare questo, isolarono un singolo ione Ar13+ da un plasma estremamente caldo e lo portarono praticamente a riposare all'interno di una trappola ionica insieme ad un laser raffreddato, ione singolarmente caricato. Utilizzando la spettroscopia della logica quantistica sulla coppia ionica, hanno aumentato la precisione relativa di un fattore di cento milioni rispetto ai metodi precedenti.

Questo apre la moltitudine di ioni altamente carichi per nuovi orologi atomici e ulteriori strade nella ricerca di nuova fisica.

Gli ioni altamente carichi sono, anche se apparentemente esotici, una forma molto naturale di materia visibile. Tutta la materia nel nostro sole e in tutte le altre stelle è altamente ionizzata, Per esempio. In molti modi, però, gli ioni altamente carichi sono più estremi degli atomi neutri o degli ioni caricati singolarmente. A causa della loro elevata carica positiva, gli elettroni esterni del guscio atomico sono più fortemente legati al nucleo atomico. Sono quindi meno sensibili alle perturbazioni dei campi elettromagnetici esterni. D'altra parte, rispetto agli atomi neutri e a carica singola, gli effetti della relatività ristretta e dell'elettrodinamica quantistica, nonché l'interazione con il nucleo atomico sono notevolmente migliorati. Gli ioni altamente carichi sono quindi sistemi ideali per orologi atomici accurati che possono essere utilizzati per testare la fisica fondamentale. Gli elettroni esterni in questi sistemi fungono da "sensori quantistici" sensibili per effetti come forze e campi precedentemente sconosciuti. Poiché ogni singolo elemento della tavola periodica fornisce tanti stati di carica quanti sono gli elettroni nel guscio atomico, esiste una vasta gamma di sistemi atomici tra cui scegliere.

Ad oggi, però, le tecniche di misurazione consolidate utilizzate negli orologi atomici ottici non potevano essere applicate a ioni altamente carichi. L'ostacolo principale si manifesta già nel processo della loro produzione:è necessaria una grande quantità di energia per rimuovere un numero significativo di elettroni dagli atomi, e gli ioni allora esistono sotto forma di plasma caldo come il Sole stesso. Però, gli esperimenti più precisi e accurati richiedono l'esatto contrario:temperature più basse possibili e condizioni ambientali ben controllate al fine di ridurre gli spostamenti e l'allargamento delle righe spettrali da misurare. Ciò è ostacolato dal fatto che gli ioni altamente carichi non possono essere raffreddati direttamente al laser, e i metodi di rilevamento convenzionali non possono essere applicati a causa della loro struttura atomica.

I fisici del Physikalisch-Technische Bundesanstalt e del Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg hanno ora combinato soluzioni individuali a ciascuno di questi problemi in un esperimento unico al mondo presso il QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology a Braunschweig. Hanno isolato un singolo ione altamente carico (Ar ₁₃ ⁺ ) da una sorgente di ioni di plasma caldo e lo ha immagazzinato insieme a uno ione di berillio a carica singola in una trappola ionica. Quest'ultimo può essere raffreddato al laser in modo molto efficiente e attraverso l'interazione elettrica reciproca può essere ridotta la temperatura dell'intera coppia ionica. Infine, questo cosiddetto "raffreddamento simpatico" forma un cristallo a due ioni che si "congela" completamente nello stato fondamentale di movimento quantomeccanico a una temperatura equivalente di solo pochi milionesimi di grado sopra lo zero assoluto.

Utilizzando un laser ultrastabile gli scienziati hanno risolto con precisione la struttura spettrale dell'Ar ₁₃ ⁺ ione in una procedura di misurazione simile a quella utilizzata negli orologi più moderni. Per questo, hanno applicato il concetto di logica quantistica, in cui il segnale spettroscopico viene trasferito coerentemente dallo ione altamente carico allo ione berillio mediante due impulsi laser. Lo stato quantistico dello ione berillio è molto più facile da determinare tramite eccitazione laser. "Descrittivamente, lo ione berillio "intercetta" lo stato dello ione meno comunicativo ad alta carica e ci riferisce sul suo stato, " spiega Piet Schmidt, capo della collaborazione. "Qui, abbiamo migliorato la precisione relativa per ioni altamente carichi di un fattore di cento milioni rispetto alla spettroscopia tradizionale, "aggiunge Peter Micke, assistente di ricerca presso l'Istituto QUEST e primo autore del documento.

La combinazione di tutti questi metodi stabilisce un concetto molto generale che può essere applicato agli ioni più carichi. Lo ione berillio può sempre essere utilizzato come cosiddetto ione logico e il processo di produzione degli ioni altamente carichi nel plasma con successivo isolamento di un singolo ione è indipendente dalla scelta del tipo atomico e dello stato di carica.

José Crespo, capo del gruppo presso il Max Planck Institute for Nuclear Physics, sottolinea:"Questo esperimento apre un inedito, un'area estremamente vasta di sistemi atomici da utilizzare nella spettroscopia di precisione e per futuri orologi con proprietà speciali." Per la ricerca di base, la grande varietà di questi nuovi, "sensori quantistici" su misura consentono un'indagine promettente su questioni fondamentali:il nostro modello standard di fisica delle particelle è completo? Cos'è la materia oscura? Le costanti fondamentali sono davvero costanti?

Lo studio è riportato in Natura .