Các ion tích điện cao là một dạng vật chất thường được tìm thấy trong vũ trụ, chẳng hạn như trong mặt trời hoặc các ngôi sao khác. Chúng được gọi là "tích điện cao" vì chúng đã mất nhiều điện tử và do đó có điện tích dương mạnh.

Kết quả là, các electron lớp ngoài cùng trong các ion tích điện cao liên kết mạnh hơn với hạt nhân nguyên tử so với các nguyên tử trung tính hoặc tích điện yếu. Điều này làm cho các ion tích điện cao ít bị ảnh hưởng bởi các trường điện từ bên ngoài, nhưng nhạy cảm hơn với các hiệu ứng cơ bản của thuyết tương đối hẹp, điện động lực học lượng tử và hạt nhân nguyên tử.

Nhà vật lý Lukas Spieß của Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) giải thích: “Do đó, chúng tôi kỳ vọng rằng một chiếc đồng hồ nguyên tử quang học với các ion tích điện cao sẽ giúp chúng tôi kiểm tra tốt hơn những lý thuyết cơ bản này”.

Hy vọng này đã thành hiện thực: “Chúng tôi có thể phát hiện ra độ giật hạt nhân điện động lực học lượng tử, một dự đoán lý thuyết quan trọng, trong một hệ năm electron, điều chưa từng đạt được trong bất kỳ thí nghiệm nào khác trước đây.”

Trước đó, nhóm nghiên cứu đã phải giải quyết một số vấn đề cơ bản, chẳng hạn như phát hiện và làm mát, trong nhiều năm làm việc: Đối với đồng hồ nguyên tử, người ta phải làm cực kỳ nguội các hạt để ngăn chúng càng nhiều càng tốt và do đó đọc được tần số của chúng tại nghỉ ngơi. Tuy nhiên, các ion tích điện cao được tạo ra bằng cách tạo ra plasma cực nóng . Do cấu trúc nguyên tử cực đoan của chúng, các ion tích điện cao không thể được làm mát trực tiếp bằng ánh sáng laze và cũng không thể sử dụng các phương pháp phát hiện tiêu chuẩn.

Điều này đã được giải quyết nhờ sự hợp tác giữa MPIK ở Heidelberg và Viện QUEST tại PTB bằng cách cô lập một ion argon tích điện cao từ plasma nóng và lưu trữ nó trong một bẫy ion cùng với một ion beryllium tích điện đơn lẻ. Điều này cho phép ion tích điện cao được làm lạnh gián tiếp và nghiên cứu bằng ion berili.

Một hệ thống bẫy đông lạnh tiên tiến sau đó đã được xây dựng tại MPIK và hoàn thiện tại PTB cho các thí nghiệm tiếp theo, một phần được thực hiện bởi các sinh viên chuyển đổi giữa các tổ chức. Sau đó, một thuật toán lượng tử được phát triển tại PTB đã thành công trong việc làm lạnh ion tích điện cao hơn nữa, cụ thể là gần với trạng thái cơ học lượng tử. Điều này tương ứng với nhiệt độ 200 phần triệu kelvin trên độ không tuyệt đối . Những kết quả này đã được công bố trên tạp chí Nature vào năm 2020 và trên tạp chí Physical Review X vào năm 2021.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã thực hiện thành công bước tiếp theo: Họ đã tạo ra một đồng hồ nguyên tử quang học dựa trên các ion argon tích điện gấp mười ba lần và so sánh tiếng tích tắc với đồng hồ ion ytterbium hiện có tại PTB. Để làm điều này, họ phải phân tích hệ thống rất chi tiết để hiểu, ví dụ, chuyển động của ion tích điện cao và tác động của các trường giao thoa bên ngoài.

Họ đã đạt được độ không đảm bảo đo là 2 phần vào năm 1017 – có thể so sánh với nhiều đồng hồ nguyên tử quang học hiện đang vận hành. Piet Schmidt, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi hy vọng sự không chắc chắn sẽ giảm hơn nữa thông qua các cải tiến kỹ thuật, điều này sẽ đưa chúng tôi vào phạm vi của những chiếc đồng hồ nguyên tử tốt nhất”.

Do đó, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một đối thủ nặng ký với các đồng hồ nguyên tử quang học hiện có dựa trên, ví dụ, các ion ytterbium riêng lẻ hoặc các nguyên tử stronti trung tính. Các phương pháp được sử dụng có thể áp dụng phổ biến và cho phép nghiên cứu nhiều ion tích điện cao khác nhau.

Chúng bao gồm các hệ thống nguyên tử có thể được sử dụng để tìm kiếm các phần mở rộng của Mô hình Chuẩn của vật lý hạt. Các ion tích điện cao khác đặc biệt nhạy cảm với những thay đổi trong hằng số cấu trúc mịn và với một số ứng cử viên vật chất tối nhất định được yêu cầu trong các mô hình ngoài Mô hình Chuẩn nhưng không thể phát hiện được bằng các phương pháp trước đó.