量子逻辑光谱技术释放高电荷离子的潜力

艺术家对离子对的印象：激光冷却的Be +（右）和高电荷的Ar13 +（左）。

来自德国的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单个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。通过在离子对上使用量子逻辑光谱学，它们使相对精度比以前的方法提高了1亿倍。

这为新颖的原子钟打开了许多带高电荷的离子，并为寻找新的物理学提供了更多途径。

尽管看起来看似奇特，但带高电荷的离子却是一种非常自然的可见物质形式。例如，我们的太阳和所有其他恒星中的所有物质都是高度电离的。但是，在许多方面，高电荷离子比中性原子或单电荷离子更为极端。由于它们的高正电荷，原子壳的外部电子与原子核的结合更牢固。因此，它们对外部电磁场的干扰不太敏感。

另一方面，与中性和单电荷原子相比，相对论和量子电动力学的影响以及与原子核的相互作用得到了显着增强。

因此，高电荷离子是用于精确原子钟的理想系统，可用于测试基本物理。这些系统中的外部电子充当敏感的“量子传感器”，以产生诸如先前未知的力和电场之类的效应。由于周期表中的每个元素都提供与原子壳层中的电子一样多的电荷状态，因此存在各种各样的原子系统可供选择。

将Ar13 +离子注入到激光冷却的Be +离子晶体中，并逐步还原为离子对的量子逻辑构型。

但是，迄今为止，光学原子钟中使用的已建立的测量技术还不能应用于高电荷离子。主要障碍已在其生产过程中显现出来：需要大量能量才能从原子中除去大量电子，然后离子以与太阳本身一样热的等离子体形式存在。但是，最精确的实验要求完全相反：可能的最低温度和良好控制的环境条件，以减少要测量的光谱线的偏移和加宽。由于高电荷离子不能直接被激光冷却，并且由于其原子结构而不能应用常规的检测方法，这受到了阻碍。

海德堡物理技术大学和马克斯·普朗克核物理研究所的物理学家现在已经在不伦瑞克的QUEST实验量子计量学研究所进行的一项全球性独特实验中，结合了针对这些问题的个体解决方案。他们从热等离子体离子源中分离出一个高电荷离子（Ar13 +），并将其与单电荷铍离子一起存储在离子阱中。后者可以非常有效地进行激光冷却，并且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“同情冷却”形成了一个两离子晶体，该晶体在等效温度仅比绝对零值高出几百万分之一的情况下完全“冻结”为量子力学的基态运动。

科学家使用超稳定的激光器，以与最新型钟类似的测量程序，精确地解析了Ar13 +离子的光谱结构。为此，他们应用了量子逻辑的概念，其中光谱信号通过两个激光脉冲从高电荷离子相干转移到铍离子。铍离子的量子态通过激光激发更容易确定。协作负责人Piet Schmidt解释说：“从描述上讲，铍离子“窃听”了交流较少的高电荷离子的状态，并向我们报告了其状态。“在这里，与传统光谱相比，我们将高电荷离子的相对精度提高了1亿倍，” QUEST研究所的研究助理，该论文的第一作者Peter Micke补充道。

将所有这些方法结合起来可以建立一个非常笼统的概念，该概念可以应用于带高电荷的离子。铍离子始终可以用作所谓的逻辑离子，等离子体中高电荷离子的产生过程以及随后的单个离子的分离与原子类型和电荷状态的选择无关。

马克斯·普朗克核物理研究所小组负责人若泽·克雷斯波（JoséCrespo）强调：“该实验开创了前所未有的，极其广泛的原子系统领域，可用于精密光谱学以及具有特殊性能的未来时钟。”对于基础研究，这些新颖的量身定制的“量子传感器”种类繁多，可以对基本问题进行有前途的研究：我们的粒子物理学标准模型是否完整？什么是暗物质？基本常数真的恒定吗？

参考：P. Micke，T.Leopold，SA King，E.Benkler，LJSpieß，L.Schmöger，M.Schwarz，JR CrespoLópez-Urrutia和PO Schmidt于1月29日发表的“使用量子逻辑对高电荷离子进行相干激光光谱分析” 2020年，自然.DOI：
10.1038 / s41586-020-1959-8