Высокозаряженные ионы являются достаточно распространенной формой материи в космосе, к примеру, они в больших количествах встречаются в недрах звезд и в поясах материи, окружающих черные дыры. Свое название эти ионы получили из-за того, что они потеряли все или большинство электронов, благодаря чему они являются носителем сильного положительного электрического заряда. Это, в свою очередь, обуславливает то, что оставшиеся электроны, если они присутствуют, имеют более сильную связь с ядром, чем электроны нейтральных атомов или слабозаряженных ионов.
Благодаря сильной взаимосвязи электронов с ядром высокозаряженные ионы менее подвержены влиянию внешних электромагнитных полей. С другой стороны, они приобретают некоторые уникальные свойства, которые можно использовать в качестве высокочувствительных датчиков, измеряющих эффекты Специальной Теории Относительности, квантовой электродинамики, сил сильных и слабых ядерных взаимодействий.
"Поэтому мы ожидали, что оптические атомные часы с высокозаряженными ионами обеспечат более точный отсчет промежутков времени, что позволит выполнить проверку некоторых фундаментальных теорий" - пишут исследователи.
Однако, для того, чтобы можно было использовать высокозаряженные ионы в атомных часах, их требуется охладить до сверхнизкой температуры. И тут возникает проблема, их можно получить, создавая сверхвысокотемпературную плазму. Ученые решили эту проблему путем изоляции из плазмы отдельного высокозаряженного иона аргона и помещения его в ионную ловушку рядом с обычным ионом бериллия.
Наличие второго иона позволяет при его помощи реализовать процедуру косвенного охлаждения высокозаряженного иона. Используя специальный квантовый алгоритм, высокозаряженный ион был охлажден практически до базового квантово-механического состояния, которое соответствует температуре в 200 миллионных долей Кельвина выше точки абсолютного нуля.
Затем исследователи сделали следующий шаг, они создали оптическую решетку, узлами которой являлись тринадцатикратно положительно заряженные ионы аргона, и подключили это к устройству считывания частоты колебаний этих ионов. Затем они сравнили точность получившихся атомных часов с точностью существующих часов на базе ионов иттербия и нейтральных атомов стронция.
Погрешность измерения времени новыми часами составила 2*10^-17, что вполне сопоставимо с точностью имеющихся оптических атомных часов. "Но мы планируем в будущем сократить эту погрешность путем некоторых технических усовершенствований" - пишут исследователи, - "И если это все пройдет удачно, то мы получим оптические атомные часы следующего поколения".
"Сейчас мы предполагаем, что высокозаряженные ионы некоторых химических элементов будут особенно чувствительны к изменениям тонкой структуры пространства-времени, вызванным влиянием частиц темной материи" - пишут исследователи, - "И атомные часы с такими ионами могут стать прекрасным детектором. Более того, эти же самые часы смогут стать детектором явлений, выходящих за рамки Стандартной Модели, которые нельзя обнаружить никаким другим способом".