یک ساعت اتمی نوری جدید مبتنی‌بر یون‌ ساخته شد

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

به گزارش ایرنا از وبگاه سای تِک دِیلی (SciTechDaily)، یون های دارای بار زیاد، موادی هستند که معمولاً در کیهان مانند خورشید یا سایر ستارگان یافت می شوند. آنها را سنگین (highly charged) می نامند؛ زیرا الکترون های زيادي را از دست داده اند و بنابراین دارای بار مثبت شدید هستند؛ در نتیجه، بیرونی ترین الکترون های موجود در یون های سنگین در مقایسه با اتم های خنثی یا دارای بار ضعیف با شدت بیشتری به هسته اتم متصل می شوند. این امر باعث می شود یون های سنگین کمتر تحت تأثیر میدان های الکترومغناطیسی خارجی قرار گیرند؛ ولی به اثرات بنیادی نسبیت خاص، الکترودینامیک کوانتومی و هسته اتم حساس تر باشند.

لوکاس اشپیس (Lukas Spieß)، فیزیکدان مؤسسه فدرال فیزیک و مهندسی در آلمان، توضیح می دهد:انتظار داشتیم یک ساعت اتمی نوری با یون های سنگین به ما کمک کند که این نظریه های بنیادی را بهتر آزمایش کنیم. ما توانستیم پس زنی هسته ای الکترودینامیک کوانتومی، یک پیش بینی نظری مهم را در یک سیستم پنج الکترونی تشخیص دهیم که قبلاً در هیچ آزمایش دیگری به دست نیامده بود.

قبلاً، فیزیکدانان مجبور بودند طی سالها تلاش، برخی مشکلات اساسی مانند تشخیص و خنک سازی را حل کنند:برای ساعت های اتمی، باید ذرات را به شدت خنک کنند تا آنها به اندازه ممکن متوقف شوند تا بتوان فرکانس آن ها را در حالت سکون خواند. با این حال، یون های سنگین با ایجاد یک پلاسمای بسیار داغ تولید می شوند. یون های سنگین ساختار اتمی قدرتمندی دارند؛ بنابراین نمی توان آنها را به صورت مستقیم با نور لیزر خنک کرد و از روش های تشخیص استاندارد نیز نمی توان 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 تک اتمی حل شد. با این روش، یون سنگین بطور غیرمستقیم خنک می شود.

محققان گام بعدی را نیز با موفقیت برداشته اند: آنها یک ساعت اتمی نوری مبتنی بر یون های آرگون که ۱۳ برابر بیشتر بار دارند، ساخته اند و اندازه‌گیری زمان توسط آن را با اندازه گیری زمان توسط ساعت یون ایتربیوم موجود در مؤسسه فدرال فیزیک و مهندسی مقایسه کرده اند.