En ny dörr till kvantvärlden har öppnats:När en atom absorberar eller släpper ut energi via kvantsprånget hos en elektron, det blir tyngre eller lättare. Detta kan förklaras av Einsteins relativitetsteori (E =mc ² ). Dock, effekten är liten för en enda atom. Ändå, teamet av Klaus Blaum och Sergey Eliseev vid Max Planck Institute for Nuclear Physics har framgångsrikt mätt denna oändliga förändring i massan av enskilda atomer för första gången. För att uppnå detta, de använde den extremt exakta Pentatrap-atombalansen vid institutet i Heidelberg. Teamet upptäckte ett tidigare obemärkt kvanttillstånd i rhenium, vilket kan vara intressant för framtida atomur. Framför allt, denna extremt känsliga atombalans möjliggör en bättre förståelse av den komplexa kvantvärlden för tunga atomer.

Förvånande, men sant:Om du lindar en mekanisk klocka, det blir tyngre. Samma sak händer när du laddar din smartphone. Detta kan förklaras av ekvivalensen av energi (E) och massa (m), som Einstein uttryckte i den mest kända formeln i fysik:E =mc ² (c:ljusets hastighet i vakuum). Dock, denna effekt är så liten att den helt undviker vår vardagliga upplevelse. En konventionell balans skulle inte kunna upptäcka den.

Men vid Max Planck -institutet för kärnfysik i Heidelberg, det finns en balans som kan:Pentatrap. Den kan mäta den lilla förändringen i massa av en enda atom när en elektron absorberar eller släpper ut energi via ett kvanthopp, därmed öppnas en ny värld för precisionsfysik. Sådana kvanthopp i atomernas elektronskal ska forma vår värld-vare sig det gäller livgivande fotosyntes och allmänna kemiska reaktioner eller i skapandet av färg och vår syn.

En myra ovanpå en elefant

Rima Schüssler, nu postdoktor vid Max Planck Institute for Nuclear Physics, har hjälpt till att bygga Pentatrap sedan hon avslutade sin magisteruppsats 2014. Hon är huvudförfattare till ett papper om en oväntad upptäckt gjord i ett samarbete vid Max Planck PTB Riken Center:In rhenium, det finns ett tidigare oupptäckt elektroniskt kvanttillstånd med speciella egenskaper. Schüssler använder följande analogi för att beskriva graden av känslighet med vilken Pentatrap kan upptäcka att en elektron hoppar in i detta kvanttillstånd via massförändringen av en rheniumatom:"Genom att väga en sex ton elefant, vi kunde avgöra om en tio milligram myra kravlade på den. "

Pentatrap består av fem Penning -fällor. För att en sådan fälla ska kunna väga en atom, den måste vara elektriskt laddad (dvs bli en jon). Eftersom rhenium avlägsnades 29 av sina 75 elektroner, det är högt laddat. Detta ökar dramatiskt mätningens noggrannhet. Fällan fångar upp denna högladdade rheniumjon i en kombination av ett magnetfält och ett specialformat elektriskt fält. Inuti, den färdas i en cirkulär bana, som är invecklat vriden i sig själv. I princip, det kan ses som en boll på ett rep, som får rotera i luften. Om detta görs med konstant kraft, en tyngre boll roterar långsammare än en lättare.

Ett extremt långlivat kvanttillstånd i rhenium

I Pentatrap, två rheniumjoner roterade omväxlande i de staplade fällorna. En jon var i det energiskt lägsta kvanttillståndet. När den andra jonen genererades, en elektron blev slumpmässigt upphetsad till ett högre tillstånd genom att leverera energi. På sätt och vis, det var sårvakten. På grund av den lagrade energin, den blev marginellt tyngre och cirkulerade därmed långsammare än den första jonen. Pentatrap räknar exakt antalet varv per tidsenhet. Skillnaden i antal varv gav viktökningen.

Med denna metod, laget upptäckte ett extremt långlivat kvanttillstånd i rhenium. Det är metastabilt (dvs. det förfaller efter en viss livstid). Enligt beräkningarna av teoretiker från institutet under ledning av Zoltán Harman och Christoph H.Keitel, universitetet i Heidelberg, och Kastler Brossel Laboratory i Paris, detta är 130 dagar. Kvanttillståndets position överensstämmer också ganska bra med modellberäkningar med hjälp av toppmoderna kvantmekaniska metoder.

Möjlig tillämpning i framtida atomur

Sådana upphetsade elektroniska tillstånd i högladdade joner är intressanta för grundforskning såväl som för möjlig tillämpning i framtida atomklockor som undersökts av arbetsgruppen för José Crespo López-Urrutia vid institutet i samarbete med Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). För dem, det metastabila tillståndet i rhenium är attraktivt av flera skäl. Först, på grund av dess livslängd, det motsvarar en skarp orbitalfrekvens för elektronen runt atomkärnan. Andra, elektronen kan exciteras med mjukt röntgenljus för att hoppa in i detta kvanttillstånd. I princip, en sådan klocka kan ticka snabbare och därför ännu mer exakt än den nuvarande generationen av optiska atomur. Dock, enligt Ekkehard Peik, som ansvarar för tid- och frekvensavdelningen vid PTB och som inte var inblandad i arbetet, det är fortfarande för tidigt att spekulera i om upptäckten kan vara lämplig för en ny generation atomur.

"Ändå, denna nya metod för att upptäcka långlivade kvanttillstånd är spektakulär, "säger fysikern. Han föreställer sig att atomklockor som arbetar med sådana nya kvanttillstånd till en början kan erbjuda ett nytt testfält för grundforskning. Eftersom rheniumjonerna saknar många elektroniskt skyddande elektroner, de återstående elektronerna känner det elektriska fältet i atomkärnan särskilt starkt. Elektronerna springer därför runt kärnan med så höga hastigheter att deras rörelse måste beskrivas med Einsteins teori om särskild relativitet. Med den nya atombalansen, det skulle också vara möjligt att med hög precision testa om särskild relativitetsteori och kvantteori interagerar som beskrivs av denna teori.

I allmänhet, den nya atombalansen ger en ny tillgång till det kvantliknande inre livet för tyngre atomer. Eftersom dessa består av många partiklar - elektroner, protoner, och neutroner - de kan inte beräknas exakt. Atommodellerna för teoretiska beräkningar bygger därför på förenklingar, och dessa kan nu kontrolleras extremt exakt. Det kan vara möjligt att använda sådana atomer som sönder i sökandet efter okända partiklar, som endast kan detekteras av den extremt svaga gravitationskraften. Denna mörka materia är en av fysikens största olösta mysterier.

På väg till ny fysik

Ett viktigt steg mot tillgången till ny fysik med atomfysiska metoder uppnåddes också med Pentatrap [Phys. Rev Lett. 124, 113001]. Heidelberg -forskarna utförde massmätningar på en kedja med fem par xenonisotoper. Med hjälp av högupplöst laserspektroskopi på liknande kedjor av andra element som kalcium och ytterbium, ett linjärt samband kan utläsas av de små energiskillnaderna (isotopskift). Olinjära avvikelser från detta kan, dock, vara en indikation på ny fysik (ytterligare grundläggande interaktioner, nya partiklar, mörk materia), som manifesterar sig under extremt exakt observation-ett alternativ till experiment med hög energi. Även här, nära samarbete med teori (grupp av Zoltan Harman vid MPIK) bör betonas. Den direkta mätningen av bindningsenergin för en elektron i en högladdad jon visar mycket bra överensstämmelse med relativistiska atomstrukturberäkningar. Detta skapar grunden t.ex. för framtida högprecisionstester av kvantelektrodynamik.