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原子鐘，是一種計時裝置，精度可以達到每2000萬年才誤差1秒，被稱為有史以來最精確的時間測量設(shè)備。光學(xué)原子鐘是當(dāng)前基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。高帶電離子(HCI)可作為一類新的時間測量設(shè)備的參考，可用于最高精度的時鐘和基礎(chǔ)物理學(xué)的精密測試。

高電荷離子是宇宙空間廣泛存在的物質(zhì)，具有很高的正電荷，并且對外部磁場的敏感性較低。這種離子外層電子與原子核的結(jié)合相比中性或弱原子更牢固，可以作為狹義相對論、量子電動力學(xué)和原子核的敏感探針。

德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)下屬實驗量子計量研究所(QUEST)與馬克斯普朗克核物理研究所、布倫瑞克工大合作，首次實現(xiàn)并鑒定了基于高電荷離子的光學(xué)原子鐘。通過對時鐘進行比較，本研究將絕對轉(zhuǎn)變頻率和同位素轉(zhuǎn)變(40Ar相對于36Ar)的不確定度分別提高了八個和九個數(shù)量級。這些測量結(jié)果使我們能夠研究基本上沒有被探索過的量子電動力學(xué)(QED)反沖核，作為改進的同位素位移計算的一部分，它將以前理論的不確定度降低到原來的1/3?？蒲腥藛T表示，帶有高電荷離子的光學(xué)原子鐘能夠更好地測試基本原理，如在五電子系統(tǒng)中測試量子電動力學(xué)的原子核反沖。此次，科研人員克服了高電荷離子的測定和冷卻問題，使原子鐘實現(xiàn)了2.2?×?10?17的測量不確定度。

這項工作建立了HCI中的禁阻光學(xué)躍遷理論(forbidden optical transitions)，可作為尖端的光學(xué)時鐘和未來高靈敏度搜索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)的參考。

相關(guān)論文An optical atomic clock based on a highly charged ion于近日發(fā)表在國際科學(xué)期刊《自然Nature》。

參考資料來源：科技部合作司

關(guān)鍵詞： 量子電動力學(xué) 原子核的 不確定度