PTB的QUEST研究所的科学家开发并测试了一种新型的光学原子钟。

高电荷离子是宇宙中常见的一种物质形式，例如在太阳或其他恒星中。它们被称为“高电荷”，因为它们失去了许多电子，因此具有强烈的正电荷。

结果，高电荷离子中最外层的电子比中性或弱电荷原子中的电子与原子核的结合更强烈。这使得高电荷离子受外部电磁场的影响较小，但对狭义相对论、量子电动力学和原子核的基本效应更敏感。

“因此，我们期望具有高电荷离子的光学原子钟将帮助我们更好地测试这些基本理论，”Physikalisch-Technische Bundesanstalt（PTB）物理学家Lukas Spieß解释道。

这个希望已经实现：“我们能够在五电子系统中检测到量子电动核后坐力，这是一个重要的理论预测，这是以前任何其他实验都没有实现过的。

在此之前，该团队必须在多年的工作中解决一些基本问题，例如检测和冷却：对于原子钟，必须将粒子冷却下来，以便尽可能多地阻止它们，从而读出它们在静止时的频率。然而，高电荷离子是通过产生极热的等离子体产生的。由于其极端的原子结构，高电荷离子不能直接用激光冷却，也不能使用标准检测方法。

这是通过海德堡的MPIK和PTB的QUEST研究所之间的合作来解决的，方法是从热等离子体中分离出单个高电荷氩离子，并将其与单电荷铍离子一起储存在离子阱中。这允许间接冷却高电荷离子并通过铍离子进行研究。

然后，在MPIK建立了一个先进的低温捕集系统，并在PTB完成了以下实验，这些实验部分是由学生在机构之间切换进行的。随后，PTB开发的量子算法成功地进一步冷却了高电荷离子，即接近量子力学基态。这相当于绝对零度以上2亿分之一开尔文的温度。这些结果已经发表在 2020 年的《自然》杂志和 2021 年的《物理评论 X》杂志上。

现在，研究人员已经成功地迈出了下一步：他们已经实现了基于十三倍带电氩离子的光学原子钟，并将滴答声与PTB现有的镱离子钟进行了比较。为此，他们必须非常详细地分析系统，以便了解例如高电荷离子的运动和外部干扰场的影响。

他们在1017年实现了2个部分的测量不确定度 - 与许多目前运行的光学原子钟相当。“我们希望通过技术改进进一步减少不确定性，这将使我们进入最佳原子钟的范围，”研究小组负责人Piet Schmidt说。

因此，研究人员创造了现有光学原子钟的有力竞争者，例如基于单个镱离子或中性锶原子。所使用的方法是普遍适用的，并允许研究许多不同的高电荷离子。

其中包括可用于搜索粒子物理学标准模型扩展的原子系统。其他高电荷离子对精细结构常数的变化和某些暗物质候选物特别敏感，这些候选者在标准模型之外的模型中是必需的，但以前的方法无法检测到。