德國聯邦物理技術研究院的QUEST研究所的科學家已經開發並測試了一種新型的光學原子鐘。高電荷離子是宇宙中常見的一種物質形式，例如在太陽或其他恆星中。它們被稱為”高電荷”，因為它們已經失去了許多電子，因此具有強烈的正電荷。

因此，與中性或弱電的原子相比，高電荷離子的最外層電子與原子核的結合更強。這使得高電荷離子受外部電磁場的影響較小，但對狹義相對論、量子電動力學和原子核的基本效應更為敏感。

“因此，我們期望帶有高電荷離子的光學原子鐘能夠幫助我們更好地測試這些基本理論”，聯邦物理技術研究所（PTB）物理學家Lukas Spieß解釋說。

“這個希望已經實現了。我們能夠在一個五電子系統中檢測到量子電動核反沖，這是一個重要的理論預測，這在之前的任何其他實驗中都沒有實現過。”

在此之前，該團隊必須在多年的工作中解決一些基本問題，如檢測和冷卻。對於原子鐘來說，人們必須將粒子極度冷卻，以便盡可能地阻止它們，從而讀出它們在靜止狀態下的頻率。然而，高電荷離子是通過創造一個極熱的等離子體產生的。由於其極端的原子結構，高電荷離子不能用激光直接冷卻，標準檢測方法也不能使用。

海德堡的MPIK和PTB的QUEST研究所之間的合作解決了這個問題，從熱等離子體中分離出一個單一的高電荷氬離子，並將其與一個單電荷鈹離子一起儲存在一個離子阱中。這使得高電荷離子可以被間接冷卻並通過鈹離子進行研究。

隨後，研究人員在MPIK建造了一個先進的低溫陷阱系統，並在PTB完成了實驗，這些實驗部分是由在各機構之間轉換的學生進行的。隨後，在PTB開發的一種量子算法成功地將高電荷離子進一步冷卻，即接近量子力學基態。這相當於絕對零度以上200百萬分之一開爾文的溫度。這些結果已經在2020年的《自然》雜誌和2021年的《物理評論X》雜誌上發表。

現在，研究人員已經成功地邁出了下一步。他們已經實現了一個基於十三倍帶電氬離子的光學原子鐘，並將其與PTB現有的鐿離子鐘的走時進行比較。為了做到這一點，他們必須對該系統進行非常詳細的分析，以便了解例如高度帶電離子的運動和外部干擾場的影響。

結果他們實現了1017分之2的測量不確定性，這與許多目前運行的光學原子鐘相當。研究小組負責人皮特-施密特說：”我們期望通過技術改進進一步降低不確定性，這應該使我們的研究成果進入最優秀的原子鐘的行列。”

研究人員創造了一個與現有光學原子鐘相比的強有力的競爭者，例如，基於單個鐿離子或中性鍶原子的光學原子鐘，所使用的方法是普遍適用的，可以研究許多不同的高電荷離子。

這些包括可用於搜索粒子物理學標準模型的擴展的原子系統，其他高電荷離子對精細結構常數的變化和某些暗物質候選物特別敏感，這些候選物在標準模型之外的模型中是需要的，但用以前的方法無法檢測到。