Primer reloj atómico óptico del mundo con iones de alta carga

Científicos del Instituto QUEST del PTB han realizado y evaluado un nuevo tipo de reloj atómico óptico

08.11.2022 - Alemania

Los relojes atómicos ópticos son los instrumentos de medición más precisos jamás construidos y se están convirtiendo en herramientas clave para la investigación básica y aplicada, por ejemplo para comprobar la constancia de las constantes naturales o para las mediciones de altura en geodesia. Ahora, investigadores del Instituto QUEST del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), en colaboración con el Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) y la Universidad Técnica de Braunschweig y en el ámbito del Cluster de Excelencia QuantumFrontiers, han realizado por primera vez un reloj atómico óptico basado en iones altamente cargados. Este tipo de iones se presta a una aplicación de este tipo porque tiene unas propiedades atómicas extraordinarias y una baja sensibilidad a los campos electromagnéticos externos. Los investigadores informan de sus resultados en el número actual de Nature.

Los iones altamente cargados son una forma común de materia en el cosmos, donde se encuentran, por ejemplo, en el sol u otras estrellas. Se denominan así porque han perdido muchos electrones y, por tanto, tienen una elevada carga positiva. Por ello, los electrones más externos están más fuertemente unidos al núcleo atómico que en los átomos neutros o débilmente cargados. Por esta razón, los iones altamente cargados reaccionan con menos fuerza a las interferencias de los campos electromagnéticos externos, pero se convierten en sondas más sensibles de los efectos fundamentales de la relatividad especial, la electrodinámica cuántica y el núcleo atómico. "Por tanto, esperábamos que un reloj atómico óptico con iones altamente cargados nos ayudara a probar mejor estas teorías fundamentales", explica el físico del PTB Lukas Spieß. Esta esperanza ya se ha cumplido: "Pudimos detectar el retroceso nuclear electrodinámico cuántico, una importante predicción teórica, en un sistema de cinco electrones, lo que no se ha conseguido antes en ningún otro experimento".

Antes, el equipo tuvo que resolver algunos problemas fundamentales, como la detección y el enfriamiento, en años de trabajo: En el caso de los relojes atómicos, hay que enfriar mucho las partículas para detenerlas al máximo y así poder leer su frecuencia en reposo. Los iones altamente cargados, sin embargo, se producen creando un plasma extremadamente caliente. Debido a su extrema estructura atómica, los iones altamente cargados no pueden enfriarse directamente con luz láser, y tampoco pueden utilizarse los métodos de detección estándar. Esto se ha resuelto gracias a la colaboración entre el MPIK de Heidelberg y el Instituto QUEST del PTB, aislando un único ion de argón altamente cargado de un plasma caliente y almacenándolo en una trampa de iones junto con un ion de berilio de carga única. Esto permite enfriar indirectamente el ion altamente cargado y estudiarlo mediante el ion de berilio. A continuación, se construyó un sistema avanzado de trampas criogénicas en el MPIK y se finalizó en el PTB para los siguientes experimentos, que fueron realizados en parte por estudiantes que cambiaron de institución. Posteriormente, un algoritmo cuántico desarrollado en el PTB consiguió enfriar aún más el ion altamente cargado, es decir, cerca del estado mecánico cuántico básico. Esto correspondía a una temperatura de 200 millonésimas de kelvin por encima del cero absoluto. Estos resultados ya se publicaron en Nature en 2020 y en Physical Review X en 2021.

Ahora los investigadores han dado con éxito el siguiente paso: Han realizado un reloj atómico óptico basado en iones de argón con carga de trece veces y han comparado el tictac con el reloj de iones de iterbio existente en el PTB. Para ello, tuvieron que analizar el sistema con gran detalle para comprender, por ejemplo, el movimiento del ion altamente cargado y los efectos de los campos de interferencia externos. Lograron una incertidumbre de medición de 2 partes en 10E17, comparable a la de muchos relojes atómicos ópticos que funcionan actualmente. "Esperamos reducir aún más la incertidumbre gracias a las mejoras técnicas, lo que debería situarnos en el rango de los mejores relojes atómicos", afirma el director del grupo de investigación, Piet Schmidt.

Los investigadores han creado así un serio competidor de los relojes atómicos ópticos existentes basados, por ejemplo, en iones individuales de iterbio o átomos neutros de estroncio. Los métodos utilizados son de aplicación universal y permiten estudiar muchos iones de alta carga diferentes. Entre ellos se encuentran sistemas atómicos que pueden utilizarse para buscar extensiones del Modelo Estándar de la física de partículas. Otros iones altamente cargados son especialmente sensibles a los cambios en la constante de estructura fina y a ciertos candidatos a materia oscura que se requieren en modelos más allá del Modelo Estándar pero que no podían detectarse con los métodos anteriores.

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