量子逻辑光谱学揭示了高电荷离子的潜能

时间:2020-02-11 18:04 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

量子逻辑光谱学揭示了高电荷离子的潜能

来自德国PTB和马克斯·普朗克核物理研究所(MPIK)的科学家们以前所未有的精度对高电荷离子进行了开创性的光学测量。为此,他们从极热的等离子体中分离出一个Ar13 离子,并将其与激光冷却的单电荷离子一起置于离子阱中。利用对离子对的量子逻辑光谱学,他们比以前的方法提高了1亿倍的相对精度。

这为新型原子钟和进一步探索新物理开辟了大量高电荷离子。

高电荷离子是一种非常自然的可见物质,尽管看起来很奇特。例如,我们太阳和其他恒星中的所有物质都是高度电离的。然而,在许多方面,高电荷离子比中性原子或单电荷离子更极端。由于带高正电荷,原子壳层的外层电子与原子核的结合更强。因此,它们对外部电磁场的扰动不那么敏感。另一方面,与中性和单电荷的原子相比,狭义相对论和量子电动力学的效应以及与原子核的相互作用有了显著的增强。因此,高电荷离子是精确原子钟的理想系统,可以用来测试基础物理。在这些系统中,外层电子充当敏感的“量子传感器”,用于测量先前未知的力和场等效应。由于周期表中的每个元素提供的电荷态与原子壳层中的电子一样多,所以存在着大量的原子系统可供选择。

然而,迄今为止,在光学原子钟中使用的测量技术还不能应用于高电荷离子。主要的障碍已经在它们的产生过程中显现出来了:要从原子中除去大量的电子需要大量的能量,然后离子以等离子体的形式存在,其温度与太阳本身一样高。然而,最精确和准确的实验需要的恰恰相反:尽可能低的温度和良好控制的环境条件,以减少位移和拓宽的光谱线被测量。这是由于高电荷离子不能直接用激光冷却,而传统的检测方法由于其原子结构不能应用。

量子逻辑光谱学揭示了高电荷离子的潜能

来自德国联邦科学技术委员会(Physikalisch-Technische Bundesanstalt)和德国海德堡大学(Heidelberg)马克斯?普朗克核物理研究所(Max Planck Institute for Nuclear Physics)的物理学家们,在德国布朗斯威格(Braunschweig)的QUEST量子计量实验研究所(QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology)进行了一项全球范围内独一无二的实验,他们将各自的解决方案结合在一起。他们从热等离子体离子源中分离出一个高电荷离子(Ar13 ),并将其与一个带电荷的铍离子一起存储在离子阱中。后者可以被激光非常有效地冷却,通过相互的电相互作用,可以降低整个离子对的温度。最终,这种所谓的“交感冷却”形成了一个两离子晶体,它完全“冻结”成量子力学运动基态,其等效温度仅比绝对零度高百万分之一度。

科学家们使用超快激光精确地分辨出了Ar13 离子的光谱结构,测量过程类似于最先进的时钟。为此,他们应用了量子逻辑的概念,即光谱信号通过两个激光脉冲相干地从高电荷离子转移到铍离子。铍离子的量子态更容易通过激光激发来确定。“据描述,铍离子‘窃听’了交流较少的高电荷离子的状态,并向我们报告其状态,”该合作项目负责人Piet Schmidt解释说。“在这方面,我们已经将高电荷离子的相对精确度提高了1亿倍,比传统的光谱学提高了1亿倍,”QUEST研究所的研究助理、论文的第一作者彼得?米基(Peter Micke)补充道。

结合所有这些方法建立了一个非常普遍的概念,可以适用于大多数高电荷离子。铍离子总是可以被用作所谓的逻辑离子,而在等离子体中产生高电荷离子的过程与随后分离出的单个离子是独立于原子类型和电荷状态的选择的。

马克斯·普朗克核物理研究所的研究小组负责人何塞·克雷斯波强调说:“这个实验开辟了一个前所未有的、极其广泛的原子系统领域,不仅可以用于精密光谱学,还可以用于未来具有特殊性质的时钟。”对于基础研究而言,这些量身定制的新型“量子传感器”种类繁多,使我们有希望研究一些基本问题:我们的标准粒子物理模型是否完整?什么是暗物质?基本常数真的是常数吗?

这项研究发表在《自然》杂志上。

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