Íons altamente carregados são uma forma comum de matéria no cosmos, onde são encontrados, por exemplo, no sol ou em outras estrelas. Eles são assim chamados porque perderam muitos elétrons e, portanto, têm uma carga positiva alta. É por isso que os elétrons mais externos estão mais fortemente ligados ao núcleo atômico do que em átomos neutros ou fracamente carregados.

Por esta razão, íons altamente carregados reagem menos fortemente à interferência de campos eletromagnéticos externos, mas tornam-se sondas mais sensíveis dos efeitos fundamentais da relatividade especial, da eletrodinâmica quântica e do núcleo atômico .

"Portanto, esperávamos que um relógio atômico óptico com íons altamente carregados nos ajudasse a testar melhor essas teorias fundamentais", explica o físico do PTB Lukas Spieß. Essa esperança já foi cumprida: "Conseguimos detectar o recuo nuclear eletrodinâmico quântico, uma importante previsão teórica, em um sistema de cinco elétrons, o que não havia sido alcançado em nenhum outro experimento antes".

De antemão, a equipe teve que resolver alguns problemas fundamentais, como detecção e resfriamento, em anos de trabalho: para relógios atômicos, é preciso resfriar extremamente as partículas para pará-las o máximo possível e, assim, ler sua frequência em descanso. Íons altamente carregados, no entanto, são produzidos pela criação de um plasma extremamente quente.

Devido à sua estrutura atômica extrema, íons altamente carregados não podem ser resfriados diretamente com luz laser , e os métodos de detecção padrão também não podem ser usados. Isso foi resolvido por uma colaboração entre MPIK em Heidelberg e o Instituto QUEST em PTB, isolando um único íon de argônio altamente carregado de um plasma quente e armazenando-o em uma armadilha de íons junto com um íon de berílio carregado individualmente.

Isso permite que o íon altamente carregado seja resfriado indiretamente e estudado por meio do íon berílio. Um sistema avançado de armadilha criogênica foi então construído no MPIK e finalizado no PTB para os seguintes experimentos, que foram realizados em parte por estudantes que alternavam entre as instituições.

Posteriormente, um algoritmo quântico desenvolvido no PTB conseguiu resfriar ainda mais o íon altamente carregado, ou seja, próximo ao estado fundamental da mecânica quântica. Isso correspondia a uma temperatura de 200 milionésimos de Kelvin acima do zero absoluto. Esses resultados já foram publicados na Nature em 2020 e na Physical Review X em 2021.

Agora, os pesquisadores deram o próximo passo com sucesso: eles perceberam um relógio atômico óptico baseado em íons de argônio com carga de treze vezes e compararam o tique-taque com o relógio de íons de itérbio existente no PTB. Para fazer isso, eles tiveram que analisar o sistema em grande detalhe para entender, por exemplo, o movimento do íon altamente carregado e os efeitos dos campos de interferência externa.

Eles alcançaram uma incerteza de medição de 2 partes em 10 17 - comparável a muitos relógios atômicos ópticos atualmente em operação. "Esperamos uma redução ainda maior da incerteza por meio de melhorias técnicas, que devem nos colocar na faixa dos melhores relógios atômicos", diz o líder do grupo de pesquisa Piet Schmidt.

Os pesquisadores criaram, assim, um sério concorrente para os relógios atômicos ópticos existentes baseados, por exemplo, em íons individuais de itérbio ou átomos neutros de estrôncio. Os métodos utilizados são universalmente aplicáveis ??e permitem que muitos íons altamente carregados diferentes sejam estudados. Estes incluem sistemas atômicos que podem ser usados ??para procurar extensões do Modelo Padrão da física de partículas.

Outros íons altamente carregados são particularmente sensíveis a mudanças na constante de estrutura fina e a certos candidatos à matéria escura que são necessários em modelos além do Modelo Padrão, mas não podem ser detectados com métodos anteriores.