Высокозаряженные ионы являются распространенной формой материи в космосе, где они встречаются, например, на солнце или других звездах. Они называются так потому, что потеряли много электронов и поэтому имеют высокий положительный заряд. Вот почему самые внешние электроны более прочно связаны с атомным ядром, чем в нейтральных или слабо заряженных атомах. По этой причине высокозаряженные ионы менее сильно реагируют на помехи от внешних электромагнитных полей, но становятся более чувствительными зондами фундаментальных эффектов специальной теории относительности, квантовой электродинамики и атомного ядра. "Поэтому мы ожидали, что оптические атомные часы с высоко заряженными ионами помогут нам лучше проверить эти фундаментальные теории", - объясняет физик PTB Лукас Шпис. Эта надежда уже оправдалась: "Мы смогли обнаружить квантовую электродинамическую ядерную отдачу, важное теоретическое предсказание, в пятиэлектронной системе, чего ранее не было достигнуто ни в одном другом эксперименте".

До этого команде пришлось решить некоторые фундаментальные проблемы, такие как обнаружение и охлаждение, за годы работы: для атомных часов нужно сильно охладить частицы, чтобы максимально остановить их и, таким образом, считывать их частоту в состоянии покоя. Однако высокозаряженные ионы образуются при создании чрезвычайно горячей плазмы. Из-за их экстремальной атомной структуры высокозаряженные ионы не могут быть охлаждены непосредственно лазерным излучением, и стандартные методы обнаружения также не могут быть использованы. Это было решено в сотрудничестве между MPIK в Гейдельберге и Институтом QUEST в PTB путем выделения одного высокозаряженного иона аргона из горячей плазмы и хранения его в ионной ловушке вместе с однозарядным ионом бериллия. Это позволяет косвенно охлаждать высокозаряженный ион и изучать его с помощью иона бериллия. Затем в MPIK была создана усовершенствованная система криогенных ловушек, которая была доработана в PTB для следующих экспериментов, которые частично проводились студентами, переключающимися между учреждениями. Впоследствии квантовому алгоритму, разработанному в PTB, удалось еще больше охладить сильно заряженный ион, а именно приблизить его к основному квантово-механическому состоянию. Это соответствовало температуре в 200 миллионных долей Кельвина выше абсолютного нуля. Эти результаты уже были опубликованы в Природа в 2020 году и в Физический обзор X в 2021 году.

Теперь исследователи успешно сделали следующий шаг: они реализовали оптические атомные часы, основанные на тринадцатикратно заряженных ионах аргона, и сравнили их тиканье с существующими иттербиевыми ионными часами в PTB. Чтобы сделать это, они должны были проанализировать систему в мельчайших деталях, чтобы понять, например, движение высокозаряженного иона и влияние внешних интерференционных полей. Они достигли погрешности измерения в 2 части из 10¹⁷ -- сравним со многими действующими в настоящее время оптическими атомными часами. "Мы ожидаем дальнейшего снижения неопределенности за счет технических усовершенствований, которые должны вывести нас в ряд лучших атомных часов", - говорит руководитель исследовательской группы Пит Шмидт.

Таким образом, исследователи создали серьезного конкурента существующим оптическим атомным часам, основанным, например, на отдельных ионах иттербия или нейтральных атомах стронция. Используемые методы универсально применимы и позволяют изучать множество различных высокозаряженных ионов. К ним относятся атомные системы, которые могут быть использованы для поиска расширений стандартной модели физики элементарных частиц. Другие высокозаряженные ионы особенно чувствительны к изменениям константы тонкой структуры и к определенным кандидатам в темную материю, которые требуются в моделях, выходящих за рамки стандартной модели, но не могли быть обнаружены предыдущими методами.