德国不伦瑞克-物理技术联合会（PTB）和马克斯·普朗克核物理研究所（MPIK）的科学家们通过将单个高电荷离子与极热等离子体隔离开来，并将其几乎与激光冷却的单电荷离子一起置于离子阱中，从而能够对高电荷离子进行精确的光学测量。物理学家在离子对上使用了量子逻辑光谱技术，以使其测量的相对精度比以前的方法提高了上亿倍。

迄今为止，科学家还无法将已建立的测量技术（例如与光钟一起使用的那些技术）应用于带高电荷的离子。主要障碍甚至在测量开始之前就已显现。在产生高电荷离子的过程中，需要大量能量才能从原子中除去大量电子，然后这些离子以等离子体的形式存在，就像太阳一样热。为了确保精确的测量，要求最低的温度和良好控制的环境条件。高电荷离子不能直接进行激光冷却，并且由于其原子结构而无法应用常规检测方法。

艺术家对离子对的印象：激光冷却的Be +（左）和高电荷的Ar13 +（右）。由PTB提供。

PTB和MPIK的物理学家在不伦瑞克的QUEST实验量子计量学研究所进行的一项实验中，结合了分别解决了这些问题的解决方案。他们从热等离子体离子源中分离出一个高电荷离子（Ar13 +），并将其与单电荷铍离子一起存储在离子阱中。铍离子可以进行激光冷却，并且通过离子之间的电相互作用，可以降低离子对的温度。最终，这种所谓的“同感冷却”形成了一个两离子晶体，该晶体在等效温度仅比绝对零值高出几百万分之一的情况下完全“冻结”为量子力学基态。科学家使用超稳定的激光，以类似于原子钟的测量程序，精确地解析了Ar13 +离子的光谱结构。他们应用了量子逻辑的概念，其中光谱信号通过两个激光脉冲从高电荷离子相干转移到铍离子。他们使用量子逻辑光谱学来探测高电荷离子在441 nm波长处的禁止光学跃迁，并测量其激发态寿命和g因子。

将Ar13 +离子注入到激光冷却的Be +离子晶体中，并逐步还原为离子对的量子逻辑构型。 由PTB / MPIK提供。

研究人员说，铍离子的量子态通过激光激发更容易确定。负责这项研究的彼得·施密特教授说：“从描述上讲，铍离子“窃听”了交流较少，电荷较高的离子的状态，并向我们报告了其状态。研究员彼得·米克说：“在这里，与传统光谱相比，我们将高电荷离子的相对精度提高了1亿倍。”通过组合方法，研究人员建立了可应用于大多数高电荷离子的一般概念。铍离子始终可以用作所谓的逻辑离子。等离子体中高电荷离子的产生过程以及随后隔离单个离子的过程与原子类型和电荷状态的选择无关。

由于它们具有高正电荷，因此带高电荷离子原子壳的外电子与原子核牢固结合。因此，高电荷离子对外部电磁场的扰动不太敏感。另一方面，与中性和单电荷原子相比，狭义相对论和量子电动力学的影响以及与原子核的相互作用得到了增强。因此，高电荷离子是用于精确原子钟的理想系统，可用于测试基础物理。这些系统中的外部电子充当敏感的“量子传感器”，以产生诸如先前未知的力和电场之类的效应。由于周期表中的每个元素都提供与原子壳层中的电子一样多的电荷状态，因此存在各种各样的原子系统可供选择。

马克斯·普朗克核物理研究所负责人JoséCrespo说：“该实验为精密光谱学以及具有特殊性能的未来钟表开辟了前所未有的，极其广阔的原子系统领域。”这些新的量身定制的“量子传感器”可以帮助寻找暗物质；可以帮助确定粒子物理学的标准模型是否完整；并可以帮助确定基本常数是否真的是常数。

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