Hochgeladene Ionen: Multiplizieren Sie ionisierte Atome für Uhren, Qubits und Konstanten

Hochgeladene Ionen: Multiplizieren Sie ionisierte Atome für Uhren, Qubits und Konstanten
Anonim

vom Joint Quantum Institute

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Die Welt ist größtenteils neutral. Das heißt, die meisten Atome in unserer Umgebung sind elektrisch neutral. Die Anzahl der Elektronen in den äußeren Teilen der Atome entspricht der Anzahl der Protonen in den Zentren der Atome. Wenn ein oder mehrere Elektronen von den Atomen weggerissen werden, fühlen sich die verbleibenden Elektronen viel positiver vom Kern angezogen. Diese erhöhte Anziehungskraft, die zu einer Verkleinerung der Atome führt, stellt sicher, dass diese Elektronen weniger anfällig für Ablenkungen ihrer Umgebung sind, was sie potenziell für Atomuhren der nächsten Generation und für Quanteninformationsschemata (bei denen der Verlust der Quantenkohärenz in Qubits) wertvoll macht Bei Experimenten, bei denen versucht wird, geringfügige Abweichungen in der Feinstrukturkonstante festzustellen, ist dies der Parameter, der die Gesamtstärke der elektromagnetischen Kraft festlegt.

Eine neue theoretische Studie, die von Marianna Safronova, JQI-Mitarbeiterin, und ihren Kollegen aus Gruppen auf der ganzen Welt durchgeführt wurde, bietet die bislang beste Studie darüber, wie hochgeladene Ionen zur atomaren Zeitmessung und zur Verarbeitung von Quanteninformationen verwendet werden können. Sie identifizieren 10 solcher Ionen - zum Beispiel Samarium-14 + und Neodym-10 + - zusammen mit Schätzungen der Ioneneigenschaften, die Experimentatoren vor Beginn ihrer Arbeit wissen müssen, beispielsweise die erwarteten Lebensdauern und die internen Energieniveaus für die angeregten Zustände der Ionen.

Arbeiten mit hoch geladenen Ionen

Aufgeladene Atome sind schwer zu produzieren und zu kontrollieren. In einer der dafür vorgesehenen Einrichtungen, der Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) im Lawrence Livermore National Lab, fängt ein Elektronenstrahl einen Atomstrahl ab und ionisiert die Atome auf ihrem Weg. Auf diese Weise wurden Ladungszustände bis zu +92 (vollionisierte Uranatome) erreicht. Der Trick besteht darin, solche geladenen Ionen zu speichern und auf niedrige Temperaturen abzukühlen. In den für Atomuhren oder Quantencomputer typischen atomaren Umgebungen bedeutet niedrige Temperatur eine geringe Ionenbewegung, was eine bessere Spektroskopie ermöglicht.

Die Spektroskopie, die Messung der Energie atomarer Übergänge, ist für die oben genannten Anwendungen wichtig - Uhren, Quantencomputer und Testen der Naturkonstanten. Derzeit ist der weltweite Zeitstandard an einen bestimmten Mikrowellenübergang in Cäsium-133-Atomen gebunden. Noch höhere Präzision und bessere Uhren ergeben sich aus der Verwendung von Übergängen im optischen Bereich.

Ein Problem beim Arbeiten mit hoch geladenen Ionen ist, dass die Lücken in den Energieniveaus zu groß sind. Dies liegt daran, dass beim Ionisieren eines Atoms seine Energieniveaus weiter auseinander gehen. Das von Übergängen in diesen Ionen ausgehende Licht hat eine zu große Frequenz, häufig im ultravioletten Teil des elektromagnetischen Spektrums. Die präzise Steuerung und Manipulation von Ionen, die für Uhren und Quanteninformationen benötigt werden, ist in diesem UV- oder sogar Röntgenenergieregime schwieriger oder derzeit unmöglich. Bei der Auswahl von Ionenkandidaten ist es daher wichtig, nach Übergängen im optischen oder nahezu optischen Bereich zu suchen.

Ein weiteres Kriterium ist, dass die Ionen in der Lage sein sollten, semi-stabile angeregte Zustände zu erreichen. Ein drittes Kriterium ist, dass der charakteristische Übergang nicht zwischen den Zuständen derselben elektronischen Konfiguration erfolgt. Solche Übergänge haben keine erhöhte Empfindlichkeit für die Untersuchung, ob sich die Feinstrukturkonstante im Laufe der Zeit ändert. Ein viertes Kriterium ist, dass der endgültige ionische Zustand keine radioaktive Substanz sein sollte, wodurch Handhabungsprobleme verringert werden.

Safronova und ihre Kollegen gelangten unter Verwendung dieser Kriterien und modernster Methoden zur Untersuchung von Atomen zu ihrer Liste von zehn würdigen Ionenspezies. Sie veröffentlichen ihre Ergebnisse in der Ausgabe des Physical Review Letters vom 18. Juli 2014.

Nicht der geringste Teil ihrer Leistung ist die Spezifikation der Autoren, welche Frequenzen von den kritischen Übergängen in den Kandidatenionen zu erwarten sind. Es ist schwierig genug, die Übergangsenergien nicht ionisierter Atome zu berechnen, aber mit diesen besonders hoch geladenen Ionen ist es noch schwieriger. Sie berechneten die Frequenzen für ihre ausgewählten Ionen und verglichen sie (wo angebracht) mit den im Labor beobachteten Werten. Der Unterschied von im Allgemeinen weniger als 1% sollte den Experimentatoren versichern, dass Safronova und ihre Kollegen die Eigenschaften von Ionen genau vorhersagen können, wenn keine experimentellen Daten verfügbar sind. .

Uhrwerk

Die Verwendung hoch geladener Ionen kann zu genaueren Uhren führen, da die Atome unempfindlicher gegen Störungen durch nahegelegene elektrische oder magnetische Felder sind. Aber sind Atomuhren nicht schon gut? Sie sind. Im Januar 2014 kündigten Physiker von NIST-Boulder die Schaffung einer Atomuhr an, die Rekorde in Bezug auf Genauigkeit und Stabilität auf 6 Teile pro 10 ^ -18 stellt. Diese Uhr verwendet Strontiumatome und der beobachtete Übergang wird in erstaunlichem Maße explizit angegeben. Die Energie entspricht einer Welle mit einer Frequenz von 429.228.004.229, 870, 0 (1, 1) Hz.

Wenn wir jedoch ein Stückchen weiter gehen könnten, bis auf das Niveau von 10 ^ -19, dann könnten wichtige physikalische Tests möglich sein, einschließlich der Möglichkeit, festzustellen, ob sich die Feinstrukturkonstante (bezeichnet mit dem griechischen Buchstaben alpha) ändert in Zeit oder Raum. Einige haben astronomische Daten dahingehend interpretiert, dass sich das Alpha auf einem geringen Niveau ändert. Bei der feineren Präzision, die hochgeladene Ionen bieten, könnten terrestrische Tests der Alpha-Konstanz durchgeführt werden.

Weitere Einsatzmöglichkeiten für Atomuhren ergeben sich in Bereichen, in denen hohe Präzision von entscheidender Bedeutung ist: Geodäsie, Hydrologie, Navigation und sogar die Verfolgung von Raumfahrzeugen in der Tiefe. Safronova hebt das Potenzial für Quantencomputer hervor: "Die von uns empfohlenen hoch geladenen Ionen stellen aufgrund ihrer einzigartigen atomaren Eigenschaften und ihres Potenzials zur Verringerung der Empfindlichkeit gegenüber störenden Dekohärenzwirkungen eine völlig unerforschte Ressource für Quanteninformationen dar."