高電荷離子鐘(概念圖)。

圖片來源：德國聯邦材料研究與測試研究所

據發表于最近《自然》雜志的一項研究，德國聯邦材料研究與測試研究所(PTB)科學家首次展示了基于高電荷態離子的光學時鐘。這一成果為建造極其精確的高電荷態離子鐘鋪平了道路，該鐘可在計時和進一步探索基礎物理學方面得到應用。

高電荷態離子是宇宙中一種常見的物質形式，在太陽或其他恒星中可發現它們。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合比中性或帶弱電的原子更強。

出于這個原因，高電荷態離子對外部電磁場的干擾反應不那么強烈，成為對狹義相對論、量子電動力學和原子核的基本效應更敏感的探測器。

PTB物理學家盧卡斯·斯皮伯解釋說，一個帶有高電荷態離子的光學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中探測到量子電動核反沖，這是一個重要的理論預測，這是在以前的任何其他實驗中都未能實現的。”

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。這使得高電荷態離子可被間接冷卻，并通過鈹離子進行研究。

隨后，PTB開發的量子算法成功地進一步冷卻了高電荷態離子，即接近量子力學基態。這相當于絕對零度以上2億分之一開氏度。這些結果已于2020年和2021年分別發表在《自然》和《物理評論X》上。

研究人員此次成功地邁出了下一步：他們實現了一個基于13倍帶電氬離子的光學原子鐘，并將其與PTB現有的鐿離子鐘進行了比較。其綜合評估的系統頻率不確定度為2.2×10^-17，可與許多運行中的光時鐘相媲美。

研究人員創造了現有光學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。