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量子邏輯光譜技術可將原子測量提高1億倍

發布:laserpulse    |    2020-02-10 23:24    閱讀:213
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德國不倫瑞克-物理技術聯合會(PTB)和馬克斯·普朗克核物理研究所(MPIK)的科學家們通過將單個高電荷離子與極熱等離子體隔離開來,并將其幾乎與激光冷卻的單電荷離子一起置于離子阱中,從而能夠對高電荷離子進行精確的光學測量。物理學家在離子對上使用了量子邏輯光譜技術,以使其測量的相對精度比以前的方法提高了上億倍。

迄今為止,科學家還無法將已建立的測量技術(例如與光鐘一起使用的那些技術)應用于帶高電荷的離子。主要障礙甚至在測量開始之前就已顯現。在產生高電荷離子的過程中,需要大量能量才能從原子中除去大量電子,然后這些離子以等離子體的形式存在,就像太陽一樣熱。為了確保精確的測量,要求最低的溫度和良好控制的環境條件。高電荷離子不能直接進行激光冷卻,并且由于其原子結構而無法應用常規檢測方法。

藝術家對離子對的印象:激光冷卻的Be +(左)和高電荷的Ar13 +(右)。由PTB提供。

PTB和MPIK的物理學家在不倫瑞克的QUEST實驗量子計量學研究所進行的一項實驗中,結合了分別解決了這些問題的解決方案。他們從熱等離子體離子源中分離出一個高電荷離子(Ar13 +),并將其與單電荷鈹離子一起存儲在離子阱中。鈹離子可以進行激光冷卻,并且通過離子之間的電相互作用,可以降低離子對的溫度。最終,這種所謂的“同感冷卻”形成了一個兩離子晶體,該晶體在等效溫度僅比絕對零值高出幾百萬分之一的情況下完全“凍結”為量子力學基態。科學家使用超穩定的激光,以類似于原子鐘的測量程序,精確地解析了Ar13 +離子的光譜結構。他們應用了量子邏輯的概念,其中光譜信號通過兩個激光脈沖從高電荷離子相干轉移到鈹離子。他們使用量子邏輯光譜學來探測高電荷離子在441 nm波長處的禁止光學躍遷,并測量其激發態壽命和g因子。

將Ar13 +離子注入到激光冷卻的Be +離子晶體中,并逐步還原為離子對的量子邏輯構型。 由PTB / MPIK提供。

研究人員說,鈹離子的量子態通過激光激發更容易確定。負責這項研究的彼得·施密特教授說:“從描述上講,鈹離子“竊聽”了交流較少,電荷較高的離子的狀態,并向我們報告了其狀態。研究員彼得·米克說:“在這里,與傳統光譜相比,我們將高電荷離子的相對精度提高了1億倍。”通過組合方法,研究人員建立了可應用于大多數高電荷離子的一般概念。鈹離子始終可以用作所謂的邏輯離子。等離子體中高電荷離子的產生過程以及隨后隔離單個離子的過程與原子類型和電荷狀態的選擇無關。

由于它們具有高正電荷,因此帶高電荷離子原子殼的外電子與原子核牢固結合。因此,高電荷離子對外部電磁場的擾動不太敏感。另一方面,與中性和單電荷原子相比,狹義相對論和量子電動力學的影響以及與原子核的相互作用得到了增強。因此,高電荷離子是用于精確原子鐘的理想系統,可用于測試基礎物理。這些系統中的外部電子充當敏感的“量子傳感器”,以產生諸如先前未知的力和電場之類的效應。由于周期表中的每個元素都提供與原子殼層中的電子一樣多的電荷狀態,因此存在各種各樣的原子系統可供選擇。

馬克斯·普朗克核物理研究所負責人JoséCrespo說:“該實驗為精密光譜學以及具有特殊性能的未來鐘表開辟了前所未有的,極其廣闊的原子系統領域。”這些新的量身定制的“量子傳感器”可以幫助尋找暗物質;可以幫助確定粒子物理學的標準模型是否完整;并可以幫助確定基本常數是否真的是常數。

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