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Ilustración de la interrogación por láser de un reloj de iones altamente cargados (obra de arte). Crédito: PTB
Los iones altamente cargados son una forma común de materia en el cosmos. Se llaman así porque han perdido muchos electrones y tienen una alta carga positiva. Por ello, los electrones más externos están más fuertemente unidos al núcleo atómico que en los átomos neutros o débilmente cargados.
Como resultado, los iones altamente cargados muestran menos reacciones a las interferencias electromagnéticas del mundo exterior, pero desarrollan una mayor sensibilidad a los efectos fundamentales de la electrodinámica cuántica, la relatividad especial y el núcleo atómico.
Ahora, los investigadores del Instituto QUEST del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), en colaboración con el Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) y la TU 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.
El físico del PTB, Lukas Spieß, dijo: "Por lo tanto, esperábamos que un reloj atómico óptico con iones altamente cargados nos ayudara a probar mejor estas teorías fundamentales. 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 trabajar durante años para encontrar soluciones a cuestiones fundamentales específicas, como la detección y la refrigeración: En el caso de los relojes atómicos, hay que enfriar mucho las partículas para detenerlas al máximo y luego leer su frecuencia en reposo. Pero la producción de iones altamente cargados requiere la producción de plasma muy caliente. Los iones de alta carga no pueden enfriarse directamente con luz láser debido a su extraordinaria estructura atómica, ni tampoco pueden detectarse mediante técnicas convencionales.
Una colaboración entre el MPIK de Heidelberg y el Instituto QUEST del PTB resolvió este problema aislando un único ion de argón altamente cargado de un plasma caliente y almacenándolo en una trampa de iones con un ion de berilio de carga única.
Como resultado, el ion altamente cargado puede ser enfriado indirectamente y analizado utilizando el ion de berilio. A continuación, para los experimentos subsiguientes, se desarrolló un sistema de trampa criogénica mejorado en el MPIK y se terminó en el PTB, que fue llevado a cabo en parte por estudiantes que cambiaron de institución. Posteriormente, un algoritmo cuántico desarrollado en el PTB consiguió enfriar aún más el ión altamente cargado, hasta acercarlo al estado básico de la mecánica cuántica. Esto correspondía a una temperatura de 200 millonésimas de kelvin por encima del cero absoluto.
Los científicos han dado ahora un paso adelante: han realizado un reloj atómico óptico basado en iones de argón con una carga de trece veces y han comparado el tictac con el reloj de iones de iterbio existente en el PTB. Para lograrlo, tuvieron que analizar a fondo el sistema para comprender aspectos como el movimiento de los iones altamente cargados y los impactos de los campos de interferencia externos. Consiguieron una precisión de medición de 2 partes en 1017, equivalente a la de varios relojes atómicos ópticos que se utilizan actualmente.
El jefe del grupo de investigación, Piet Schmidt, declaró: "Esperamos reducir aún más la incertidumbre mediante mejoras técnicas, lo que debería situarnos en el rango de los mejores relojes atómicos".
Así, además de los relojes atómicos ópticos que se utilizan actualmente, los investigadores han desarrollado un nuevo método basado en átomos neutros de estroncio o en iones individuales de iterbio, por ejemplo. Las técnicas empleadas permiten estudiar una gran variedad de iones altamente cargados y son de aplicación global.
El Modelo Estándar de la física de partículas puede ampliarse utilizando sistemas atómicos. Otros iones altamente cargados son especialmente sensibles a las variaciones de la constante de estructura fina y a algunos candidatos a materia oscura que son necesarios en las teorías fuera del Modelo Estándar, pero que eran indetectables con técnicas anteriores.
Fuentes, creditos y referencias: