Високо заряджені іони є досить поширеною формою матерії в космосі, наприклад, вони у великих кількостях зустрічаються в надрах зірок і поясах матерії, що оточують чорні дірки. Свою назву ці іони отримали через те, що вони втратили всі чи більшість електронів, завдяки чому вони є носієм сильного позитивного електричного заряду. Це, своєю чергою, обумовлює те, що електрони, що залишилися, якщо вони присутні, мають сильніший зв’язок з ядром, ніж електрони нейтральних атомів або слабо заряджених іонів.
Завдяки сильному взаємозв’язку електронів з ядром високозаряджені іони менш схильні до впливу зовнішніх електромагнітних полів. З іншого боку, вони набувають деяких унікальних властивостей, які можна використовувати як високочутливі датчики, що вимірюють ефекти Спеціальної Теорії Відносності, квантової електродинаміки, сил сильних і слабких ядерних взаємодій.
“Тому ми очікували, що оптичний атомний годинник із високозарядженими іонами забезпечить точніший відлік проміжків часу, що дозволить виконати перевірку деяких фундаментальних теорій” – пишуть дослідники.
Однак, для того, щоб можна було використовувати високозаряджені іони в атомному годиннику, їх потрібно охолодити до наднизької температури. І тут виникає проблема, їх можна отримати, створюючи над високотемпературну плазму. Вчені розв’язали цю проблему шляхом ізоляції із плазми окремого високозарядженого іона аргону та поміщення його в іонну пастку поруч зі звичайним іоном берилію.
Наявність другого іона дозволяє за його допомогою реалізувати процедуру непрямого охолодження високозарядженого іона. Використовуючи спеціальний квантовий алгоритм, високозаряджений іон був охолоджений практично до базового квантово-механічного стану, який відповідає температурі у 200 мільйонів Кельвіна вище точки абсолютного нуля.
Потім дослідники зробили наступний крок, вони створили оптичні ґрати, вузлами яких були тринадцяти разово позитивно заряджені іони аргону, і під’єднали це до пристрою зчитування частоти коливань цих іонів. Потім вони порівняли точність атомного годинника, що вийшов, з точністю що існує годинника на базі іонів ітербію і нейтральних атомів стронцію.
Похибка вимірювання часу новим годинником склала 2*10^-17, що цілком можна порівняти з точністю наявних оптичних атомних годинників. “Але ми плануємо в майбутньому скоротити цю похибку шляхом деяких технічних удосконалень” – пишуть дослідники, – “І якщо це все пройде вдало, то ми отримаємо оптичний атомний годинник наступного покоління”.
“Зараз ми припускаємо, що високозаряджені іони деяких хімічних елементів будуть особливо чутливі до змін тонкої структури простору-часу, викликаних впливом частинок темної матерії” – пишуть дослідники, – “І атомний годинник з такими іонами може стати чудовим детектором. самий годинник зможе стати детектором явищ, що виходять за рамки Стандартної Моделі, які не можна виявити жодним іншим способом”.