31.01.2020 - Max-Planck-Institut für Kernphysik

La espectroscopia de lógica cuántica desbloquea el potencial de los iones altamente cargados

Científicos del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) y del Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) han llevado a cabo mediciones ópticas pioneras de iones altamente cargados con una precisión sin precedentes. Para ello, aislaron un solo ión de Ar¹³⁺ de un plasma extremadamente caliente y lo llevaron prácticamente a descansar dentro de una trampa de iones junto con un ión refrigerado por láser y cargado individualmente. Empleando la espectroscopia de lógica cuántica en el par de iones, han incrementado la precisión relativa en un factor de cien millones con respecto a los métodos anteriores. Esto abre la multitud de iones altamente cargados para los nuevos relojes atómicos y otras vías en la búsqueda de nueva física.

Los iones altamente cargados son, aunque aparentemente exóticos, una forma muy natural de materia visible. Toda la materia de nuestro sol y de todas las demás estrellas está altamente ionizada, por ejemplo. Sin embargo, en muchos sentidos, los iones altamente cargados son más extremos que los átomos neutros o los iones con carga única. Debido a su alta carga positiva, los electrones exteriores de la capa atómica están más fuertemente ligados al núcleo atómico. Por lo tanto, son menos sensibles a las perturbaciones de los campos electromagnéticos externos. Por otra parte, en comparación con los átomos neutros y de carga única, los efectos de la relatividad especial y la electrodinámica cuántica, así como la interacción con el núcleo atómico, son considerablemente mayores. Los iones altamente cargados son, por lo tanto, sistemas ideales para relojes atómicos precisos que pueden utilizarse para probar la física fundamental. Los electrones exteriores de estos sistemas sirven como "sensores cuánticos" sensibles para efectos tales como fuerzas y campos previamente desconocidos. Dado que cada elemento de la tabla periódica proporciona tantos estados de carga como electrones hay en la capa atómica, existe una gran variedad de sistemas atómicos para elegir.

Sin embargo, hasta la fecha, las técnicas de medición establecidas, tal como se utilizan en los relojes atómicos ópticos, no podían aplicarse a los iones altamente cargados. El principal obstáculo se manifiesta ya en el proceso de su producción: se requiere una gran cantidad de energía para eliminar un número significativo de electrones de los átomos, y los iones existen entonces en forma de un plasma tan caliente como el propio Sol. Sin embargo, los experimentos más precisos y exactos requieren exactamente lo contrario: las temperaturas más bajas posibles y unas condiciones ambientales bien controladas para reducir los desplazamientos y el ensanchamiento de las líneas espectrales a medir. Esto se ve obstaculizado por el hecho de que los iones altamente cargados no pueden ser enfriados directamente por láser, y los métodos de detección convencionales no pueden aplicarse debido a su estructura atómica.

Físicos del Physikalisch-Technische Bundesanstalt y del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg han combinado ahora soluciones individuales para cada uno de estos problemas en un experimento único en el mundo en el Instituto QUEST de Metrología Cuántica Experimental de Braunschweig. Aislaron un solo ión altamente cargado (Ar¹³⁺) de una fuente de iones de plasma caliente y lo almacenaron junto con un ión de berilio cargado individualmente en una trampa de iones. Este último puede ser enfriado por láser muy eficientemente y a través de la interacción eléctrica mutua se puede reducir la temperatura de todo el par de iones. Eventualmente, este llamado "enfriamiento simpático" forma un cristal de dos iones que se "congela" completamente en el estado de movimiento cuántico mecánico terrestre a una temperatura equivalente de sólo unas millonésimas de grado sobre el cero absoluto.

Utilizando un láser ultrastable, los científicos resolvieron con precisión la estructura espectral del ión Ar¹³⁺ en un procedimiento de medición similar al utilizado en los relojes de última generación. Para ello, aplicaron el concepto de lógica cuántica, en el que la señal de espectroscopia se transfiere coherentemente del ión altamente cargado al ión de berilio por medio de dos pulsos de láser. El estado cuántico del ión berilio es mucho más fácil de determinar mediante la excitación láser. "Descriptivamente, el ión de berilio 'escucha a escondidas' el estado del ión menos comunicativo y altamente cargado y nos informa sobre su estado", explica Piet Schmidt, jefe de la colaboración. "Aquí, hemos mejorado la precisión relativa de los iones altamente cargados por un factor de cien millones en comparación con la espectroscopia tradicional", añade Peter Micke, asistente de investigación del Instituto QUEST y primer autor del artículo.

La combinación de todos estos métodos establece un concepto muy general que puede aplicarse a la mayoría de los iones altamente cargados. El ión de berilio siempre puede ser utilizado como el llamado ión lógico y el proceso de producción de los iones altamente cargados en el plasma con el subsiguiente aislamiento de un solo ión es independiente de la elección del tipo atómico y del estado de carga.

José Crespo, jefe del grupo del Instituto Max Planck de Física Nuclear, enfatiza: "Este experimento abre un área sin precedentes y extremadamente extensa de sistemas atómicos para ser usados en espectroscopia de precisión, así como para futuros relojes con propiedades especiales". Para la investigación básica, la gran variedad de estos nuevos "sensores cuánticos" a medida permite una prometedora investigación de cuestiones fundamentales: ¿Está completo nuestro modelo estándar de física de partículas? ¿Qué es la materia oscura? ¿Las constantes fundamentales son realmente constantes?

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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