Des scientifiques du PTB et du Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK), à la fois l'Allemagne, ont effectué des mesures optiques pionnières d'ions hautement chargés avec une précision sans précédent. Pour faire ça, ils ont isolé un seul ion Ar13 + d'un plasma extrêmement chaud et l'ont amené pratiquement au repos à l'intérieur d'un piège à ions avec un refroidisseur laser, ion simplement chargé. Utilisant la spectroscopie logique quantique sur la paire d'ions, ils ont augmenté la précision relative d'un facteur de cent millions par rapport aux méthodes précédentes.

Cela ouvre la multitude d'ions hautement chargés pour de nouvelles horloges atomiques et d'autres voies dans la recherche d'une nouvelle physique.

Les ions hautement chargés sont, bien qu'apparemment exotiques, une forme très naturelle de matière visible. Toute la matière de notre soleil et de toutes les autres étoiles est hautement ionisée, par exemple. De plusieurs façons, cependant, les ions fortement chargés sont plus extrêmes que les atomes neutres ou les ions à charge simple. En raison de leur charge positive élevée, les électrons externes de la couche atomique sont plus fortement liés au noyau atomique. Ils sont donc moins sensibles aux perturbations par les champs électromagnétiques externes. D'autre part, par rapport aux atomes neutres et à charge simple, les effets de la relativité restreinte et de l'électrodynamique quantique ainsi que l'interaction avec le noyau atomique sont considérablement renforcés. Les ions hautement chargés sont donc des systèmes idéaux pour des horloges atomiques précises qui peuvent être utilisées pour tester la physique fondamentale. Les électrons externes de ces systèmes servent de "capteurs quantiques" sensibles pour des effets tels que des forces et des champs auparavant inconnus. Puisque chaque élément du tableau périodique fournit autant d'états de charge qu'il y a d'électrons dans la couche atomique, il existe une grande variété de systèmes atomiques parmi lesquels choisir.

À ce jour, cependant, les techniques de mesure établies utilisées dans les horloges atomiques optiques ne pouvaient pas être appliquées aux ions hautement chargés. Le principal obstacle se manifeste déjà dans le processus de leur production :une grande quantité d'énergie est nécessaire pour retirer un nombre important d'électrons des atomes, et les ions existent alors sous la forme d'un plasma aussi chaud que le Soleil lui-même. Cependant, les expériences les plus précises et les plus exactes nécessitent exactement le contraire :des températures les plus basses possibles et des conditions ambiantes bien maîtrisées afin de réduire les décalages et l'élargissement des raies spectrales à mesurer. Ceci est entravé par le fait que les ions fortement chargés ne peuvent pas être directement refroidis au laser, et les méthodes de détection conventionnelles ne peuvent pas être appliquées en raison de leur structure atomique.

Des physiciens de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt et de l'Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg ont maintenant combiné des solutions individuelles à chacun de ces problèmes dans une expérience unique au monde à l'Institut QUEST de métrologie quantique expérimentale à Braunschweig. Ils ont isolé un seul ion hautement chargé (Ar 13 ⁺ ) à partir d'une source d'ions plasma chaud et stocké avec un ion béryllium chargé individuellement dans un piège à ions. Ce dernier peut être refroidi au laser de manière très efficace et grâce à l'interaction électrique mutuelle, la température de l'ensemble de la paire d'ions peut être réduite. Finalement, ce soi-disant "refroidissement sympathique" forme un cristal à deux ions qui "gèle" complètement dans l'état fondamental du mouvement mécanique quantique à une température équivalente de seulement quelques millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu.

À l'aide d'un laser ultrastable, les scientifiques ont résolu avec précision la structure spectrale de l'Ar 13 ⁺ dans une procédure de mesure similaire à celle utilisée dans les horloges de pointe. Pour ça, ils ont appliqué le concept de logique quantique, dans lequel le signal de spectroscopie est transféré de manière cohérente de l'ion hautement chargé à l'ion béryllium au moyen de deux impulsions laser. L'état quantique de l'ion béryllium est beaucoup plus facile à déterminer par excitation laser. « De manière descriptive, l'ion béryllium « écoute » l'état de l'ion hautement chargé le moins communicatif et nous rend compte de son état, " explique Piet Schmidt, chef de la collaboration. "Ici, nous avons amélioré la précision relative des ions très chargés d'un facteur cent millions par rapport à la spectroscopie traditionnelle, " ajoute Peter Micke, assistant de recherche à l'Institut QUEST et premier auteur de l'article.

La combinaison de toutes ces méthodes établit un concept très général qui peut être appliqué à la plupart des ions fortement chargés. L'ion béryllium peut toujours être utilisé comme ion logique et le processus de production des ions hautement chargés dans le plasma avec isolement ultérieur d'un seul ion est indépendant du choix du type atomique et de l'état de charge.

José Crespo, chef de groupe à l'Institut Max Planck de physique nucléaire, souligne :« Cette expérience ouvre une perspective inédite, domaine extrêmement vaste des systèmes atomiques à utiliser en spectroscopie de précision ainsi que pour les futures horloges aux propriétés particulières. » Pour la recherche fondamentale, la grande variété de ces nouveautés, Des "capteurs quantiques" sur mesure permettent une enquête prometteuse sur des questions fondamentales :notre modèle standard de physique des particules est-il complet ? Qu'est-ce que la matière noire ? Les constantes fondamentales sont-elles vraiment constantes ?

L'étude est rapportée dans La nature .