Impresión artística del par de iones:Be + enfriado por láser (derecha) y Ar13 + altamente cargado (izquierda). Crédito:PTB
Científicos del PTB y del Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK), ambos Alemania, han llevado a cabo mediciones ópticas pioneras de iones altamente cargados con una precisión sin precedentes. Para hacer esto, aislaron un solo ion Ar13 + de un plasma extremadamente caliente y lo llevaron prácticamente a descansar dentro de una trampa de iones junto con un láser enfriado por láser ion con carga única. Empleando espectroscopía lógica cuántica en el par de iones, han aumentado la precisión relativa en un factor de cien millones con respecto a los métodos anteriores.
Esto abre la multitud de iones altamente cargados para nuevos relojes atómicos y nuevas vías en la búsqueda de nueva física.
Los iones muy cargados son, aunque aparentemente exóticos, una forma muy natural de materia visible. Toda la materia en nuestro sol y en todas las demás estrellas está altamente ionizada, por ejemplo. De muchas maneras, sin embargo, Los iones con mucha carga son más extremos que los átomos neutros o los iones con carga única. Debido a su alta carga positiva, los electrones externos de la capa atómica están más fuertemente unidos al núcleo atómico. Por tanto, son menos sensibles a las perturbaciones de los campos electromagnéticos externos. Por otra parte, en comparación con átomos neutros y cargados individualmente, los efectos de la relatividad especial y la electrodinámica cuántica, así como la interacción con el núcleo atómico, se potencian considerablemente. Los iones muy cargados son, por lo tanto, sistemas ideales para relojes atómicos precisos que se pueden usar para probar la física fundamental. Los electrones externos en estos sistemas sirven como "sensores cuánticos" sensibles para efectos tales como fuerzas y campos previamente desconocidos. Dado que cada elemento de la tabla periódica proporciona tantos estados de carga como electrones hay en la capa atómica, existe una gran variedad de sistemas atómicos para elegir.
Hasta la fecha, sin embargo, Las técnicas de medición establecidas que se utilizan en los relojes atómicos ópticos no pueden aplicarse a iones muy cargados. El principal obstáculo se manifiesta ya en el proceso de su producción:se requiere una gran cantidad de energía para eliminar una cantidad significativa de electrones de los átomos, y los iones existen entonces en forma de plasma tan caliente como el propio Sol. Sin embargo, los experimentos más precisos y exactos requieren exactamente lo contrario:las temperaturas más bajas posibles y las condiciones ambientales bien controladas para reducir los cambios y la ampliación de las líneas espectrales que se van a medir. Esto se ve obstaculizado por el hecho de que los iones altamente cargados no pueden enfriarse directamente con láser, y los métodos de detección convencionales no pueden aplicarse debido a su estructura atómica.
Implantación del ión Ar13 + en el cristal de iones Be + enfriado por láser y reducción gradual a la configuración lógica cuántica de un par de iones. Crédito:PTB
Los físicos del Physikalisch-Technische Bundesanstalt y el Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg han combinado ahora soluciones individuales para cada uno de estos problemas en un experimento único en todo el mundo en el Instituto QUEST de Metrología Cuántica Experimental en Braunschweig. Aislaron un solo ion altamente cargado (Ar 13 + ) de una fuente de iones de plasma caliente y lo almacenó junto con un ión de berilio cargado individualmente en una trampa de iones. Este último se puede enfriar con láser de manera muy eficiente y, mediante la interacción eléctrica mutua, se puede reducir la temperatura de todo el par de iones. Finalmente, este llamado "enfriamiento simpático" forma un cristal de dos iones que se "congela" completamente en el estado de movimiento fundamental de la mecánica cuántica a una temperatura equivalente de sólo unas pocas millonésimas de grado por encima del cero absoluto.
Usando un láser ultraestable, los científicos resolvieron con precisión la estructura espectral del Ar 13 + ion en un procedimiento de medición similar al utilizado en los relojes de última generación. Para esto, aplicaron el concepto de lógica cuántica, en el que la señal de espectroscopía se transfiere coherentemente del ión altamente cargado al ión berilio por medio de dos pulsos de láser. El estado cuántico del ion berilio es mucho más fácil de determinar mediante excitación láser. "Descriptivamente, el ion berilio 'escucha a escondidas' el estado del ion altamente cargado menos comunicativo y nos informa sobre su estado, "explica Piet Schmidt, jefe de la colaboración. "Aquí, Hemos mejorado la precisión relativa para iones altamente cargados en un factor de cien millones en comparación con la espectroscopia tradicional. "añade Peter Micke, asistente de investigación en el Instituto QUEST y primer autor del artículo.
La combinación de todos estos métodos establece un concepto muy general que se puede aplicar a la mayoría de los iones altamente cargados. El ion berilio siempre se puede utilizar como un ion lógico y el proceso de producción de los iones altamente cargados en el plasma con el posterior aislamiento de un solo ion es independiente de la elección del tipo atómico y del estado de carga.
José Crespo, jefe del grupo en el Instituto Max Planck de Física Nuclear, enfatiza:"Este experimento abre un camino sin precedentes, área extremadamente extensa de sistemas atómicos para ser utilizados en espectroscopía de precisión, así como para futuros relojes con propiedades especiales ". Para investigación básica, la gran variedad de estos nuevos, Los "sensores cuánticos" hechos a la medida permiten una investigación prometedora de cuestiones fundamentales:¿Está completo nuestro modelo estándar de física de partículas? ¿Qué es la materia oscura? ¿Son las constantes fundamentales realmente constantes?
El estudio se informa en Naturaleza .
