Bilim İnsanları Yeni Bir Optik Atomik Saat Türü Yarattı
PTB’deki QUEST Enstitüsü bilim insanları yeni bir tür optik atomik saat geliştirdi ve test etti.
Yüksek yüklü iyonlar, güneş veya diğer yıldızlar gibi evrende yaygın olarak bulunan bir madde biçimidir. Çok sayıda elektron kaybettikleri ve bu nedenle güçlü bir pozitif yüke sahip oldukları için “yüksek yüklü” olarak adlandırılırlar.
Sonuç olarak, yüksek yüklü iyonlardaki en dıştaki elektronlar, nötr veya zayıf yüklü atomlara kıyasla atom çekirdeğine daha güçlü bir şekilde bağlıdır. Bu durum yüksek yüklü iyonları dış elektromanyetik alanlardan daha az etkilenir, ancak özel görelilik, kuantum elektrodinamiği ve atom çekirdeğinin temel etkilerine karşı daha hassas hale getirir.
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) fizikçisi Lukas Spieß, “Bu nedenle, yüksek yüklü iyonlara sahip optik bir atom saatinin bu temel teorileri daha iyi test etmemize yardımcı olacağını umuyorduk” diyor.
Bu umut şimdiden gerçekleşmiş durumda: “Önemli bir teorik öngörü olan kuantum elektrodinamik nükleer geri tepmeyi beş elektronlu bir sistemde tespit edebildik ki bu daha önce başka hiçbir deneyde başarılamadı.”
Öncesinde ekip, tespit ve soğutma gibi bazı temel sorunları yıllar süren çalışmalarla çözmek zorunda kaldı: Atomik saatler için, parçacıkları mümkün olduğunca durdurmak ve böylece dinlenme halindeki frekanslarını okumak için aşırı derecede soğutmak gerekir. Yüksek yüklü iyonlar ise son derece sıcak bir plazma oluşturularak üretilir. Aşırı atomik yapıları nedeniyle, yüksek yüklü iyonlar doğrudan lazer ışığı ile soğutulamaz ve standart algılama yöntemleri de kullanılamaz.
Bu sorun, Heidelberg’deki MPIK ve PTB’deki QUEST Enstitüsü arasındaki bir işbirliği ile sıcak bir plazmadan yüksek yüklü tek bir argon iyonu izole edilerek ve tek yüklü bir berilyum iyonu ile birlikte bir iyon tuzağında depolanarak çözüldü. Bu, yüksek yüklü iyonun dolaylı olarak soğutulmasını ve berilyum iyonu aracılığıyla incelenmesini sağlar.
Daha sonra MPIK’de gelişmiş bir kriyojenik tuzak sistemi inşa edildi ve kısmen kurumlar arasında geçiş yapan öğrenciler tarafından gerçekleştirilen aşağıdaki deneyler için PTB’de son haline getirildi. Daha sonra, PTB’de geliştirilen bir kuantum algoritması, yüksek yüklü iyonu daha da fazla, yani kuantum mekaniksel temel duruma yakın soğutmayı başardı. Bu, mutlak sıfırın 200 milyonda bir kelvin üzerindeki bir sıcaklığa karşılık geliyordu. Bu sonuçlar 2020’de Nature dergisinde ve 2021’de Physical Review X dergisinde yayınlanmıştı.
Şimdi araştırmacılar bir sonraki adımı başarıyla attılar: On üç kat yüklü argon iyonlarına dayalı optik bir atom saati gerçekleştirdiler ve tik takları PTB’deki mevcut iterbiyum iyon saatiyle karşılaştırdılar. Bunu yapmak için, örneğin yüksek yüklü iyonun hareketini ve dış girişim alanlarının etkilerini anlamak amacıyla sistemi çok ayrıntılı bir şekilde analiz etmek zorunda kaldılar.
Halihazırda işletilen birçok optik atomik saatle karşılaştırılabilecek 1017’de 2 parçalık bir ölçüm belirsizliği elde ettiler. Araştırma grubu lideri Piet Schmidt, “Teknik iyileştirmeler yoluyla belirsizliğin daha da azaltılmasını bekliyoruz, bu da bizi en iyi atomik saatlerin aralığına getirecektir” diyor.
Araştırmacılar böylece, örneğin tek tek iterbiyum iyonlarına veya nötr stronsiyum atomlarına dayanan mevcut optik atomik saatlere ciddi bir rakip yaratmış oldular. Kullanılan yöntemler evrensel olarak uygulanabilir ve birçok farklı yüksek yüklü iyonun incelenmesine olanak tanır.
Bunlar, parçacık fiziğinin Standart Modelinin uzantılarını araştırmak için kullanılabilecek atomik sistemleri içerir. Diğer yüksek yüklü iyonlar, ince yapı sabitindeki değişikliklere ve Standart Model’in ötesindeki modellerde gerekli olan ancak önceki yöntemlerle tespit edilemeyen bazı karanlık madde adaylarına özellikle duyarlıdır.
Referans: “Yüksek yüklü bir iyona dayalı optik bir atom saati” Steven A. King, Lukas J. Spieß, Peter Micke, Alexander Wilzewski, Tobias Leopold, Erik Benkler, Richard Lange, Nils Huntemann, Andrey Surzhykov, Vladimir A. Yerokhin, José R. Crespo López-Urrutia ve Piet O. Schmidt, 2 Kasım 2022, Nature.
Bu yazı Astrafizik.com tarafından Türkçeye aktarılmış olup yazının aslı scitechdaily.com sitesine aittir, orijinaline mümkün olduğunca sadık kalmak koşuluyla dilimize çevirilmis olsa da editoryal tarafından katkılarda bulunulmuştur. Bu sebeple Astrafizik.com içerik izinlerine tabidir. Astrafizik.com referans gösterilmek koşuluyla 3. tarafların kullanımına izin verilmiştir.