Físicos de varios centros de investigación alemanas han desarrollado por primera vez un reloj atómico óptico basado en iones altamente cargados.

Este tipo de ion se presta a tal aplicación porque tiene propiedades atómicas extraordinarias y baja sensibilidad a los campos electromagnéticos externos. Los investigadores informan sobre sus resultados en la edición actual de Nature.

Los relojes atómicos ópticos son los instrumentos de medición más precisos jamás construidos y se están convirtiendo en herramientas clave para la investigación básica y aplicada, por ejemplo, para probar la constancia de constantes naturales o para mediciones de altura en geodesia.

Los iones altamente cargados son una forma común de materia en el cosmos, donde se encuentran, por ejemplo, en el sol u otras estrellas.

Se llaman así porque han perdido muchos electrones y por lo tanto tienen una carga positiva alta. Esta es la razón por la que los electrones más externos están más fuertemente ligados al núcleo atómico que en los átomos neutros o débilmente cargados.

Por esta razón, los iones altamente cargados reaccionan con menos fuerza a la interferencia de los campos electromagnéticos externos, pero se vuelven más sensibles a los efectos fundamentales de la relatividad especial, la electrodinámica cuántica y el núcleo atómico.

"Por lo tanto, esperábamos que un reloj atómico óptico con iones altamente cargados nos ayudaría a probar mejor estas teorías fundamentales", explica en un comunicado el autor del estudio y físico del Instituto QUEST en el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Lukas Spieb. Esta esperanza ya se ha cumplido: "Pudimos detectar el retroceso nuclear electrodinámico cuántico, una predicción teórica importante, en un sistema de cinco electrones, que no se había logrado en ningún otro experimento anterior".

Previamente, el equipo tuvo que resolver algunos problemas fundamentales, como la detección y el enfriamiento, en años de trabajo: Para los relojes atómicos, hay que enfriar las partículas extremadamente para detenerlas lo más posible y así leer su frecuencia en descansar. Los iones altamente cargados, sin embargo, se producen al crear un plasma extremadamente caliente.

Debido a su estructura atómica extrema, los iones altamente cargados no se pueden enfriar directamente con luz láser y tampoco se pueden usar métodos de detección estándar. Esto se resolvió mediante una colaboración entre MPIK (Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) y el Instituto QUEST en PTB al aislar un solo ion de argón altamente cargado de un plasma caliente y almacenarlo en una trampa de iones junto con un ion de berilio con una sola carga.

Esto permite que el ion altamente cargado se enfríe indirectamente y se estudie por medio del ion berilio. Luego se construyó un sistema avanzado de trampas criogénicas en MPIK y se finalizó en PTB para los siguientes experimentos, que fueron realizados en parte por estudiantes que cambiaban de institución.

Posteriormente, un algoritmo cuántico desarrollado en PTB logró enfriar aún más el ion altamente cargado, es decir, cerca del estado fundamental de la mecánica cuántica. Esto correspondía a una temperatura de 200 millonésimas de Kelvin por encima del cero absoluto. Estos resultados ya se publicaron en Nature en 2020 y en Physical Review X en 2021.

Ahora, los investigadores han dado con éxito el siguiente paso: han realizado un reloj atómico óptico basado en iones de argón cargados trece veces y compararon el tic-tac con el reloj de iones de iterbio existente en PTB. Para ello, tuvieron que analizar el sistema con gran detalle para comprender, por ejemplo, el movimiento del ion altamente cargado y los efectos de los campos de interferencia externos.

Lograron una incertidumbre de medición de 2 partes en 10 elevado a 17, comparable a muchos relojes atómicos ópticos que funcionan actualmente. "Esperamos una mayor reducción de la incertidumbre a través de mejoras técnicas, lo que debería llevarnos al rango de los mejores relojes atómicos", dice el líder del grupo de investigación, Piet Schmidt.

Los investigadores han creado así un serio competidor para los relojes atómicos ópticos existentes, basado, por ejemplo, en iones de iterbio individuales o átomos de estroncio neutros. Los métodos utilizados son universalmente aplicables y permiten estudiar muchos iones altamente cargados diferentes. Estos incluyen sistemas atómicos que pueden usarse para buscar extensiones del modelo estándar de física de partículas.

Otros iones altamente cargados son particularmente sensibles a los cambios en la constante de estructura fina ya ciertos candidatos de materia oscura que se requieren en modelos más allá del Modelo Estándar pero que no se pudieron detectar con métodos anteriores.