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原子钟，是一种计时装置，精度可以达到每2000万年才误差1秒，被称为有史以来最精确的时间测量设备。光学原子钟是当前基础研究和应用研究领域的关键技术。高带电离子(HCI)可作为一类新的时间测量设备的参考，可用于最高精度的时钟和基础物理学的精密测试。

高电荷离子是宇宙空间广泛存在的物质，具有很高的正电荷，并且对外部磁场的敏感性较低。这种离子外层电子与原子核的结合相比中性或弱原子更牢固，可以作为狭义相对论、量子电动力学和原子核的敏感探针。

德国联邦物理技术研究院(PTB)下属实验量子计量研究所(QUEST)与马克斯普朗克核物理研究所、布伦瑞克工大合作，首次实现并鉴定了基于高电荷离子的光学原子钟。通过对时钟进行比较，本研究将绝对转变频率和同位素转变(40Ar相对于36Ar)的不确定度分别提高了八个和九个数量级。这些测量结果使我们能够研究基本上没有被探索过的量子电动力学(QED)反冲核，作为改进的同位素位移计算的一部分，它将以前理论的不确定度降低到原来的1/3。科研人员表示，带有高电荷离子的光学原子钟能够更好地测试基本原理，如在五电子系统中测试量子电动力学的原子核反冲。此次，科研人员克服了高电荷离子的测定和冷却问题，使原子钟实现了2.2 × 10−17的测量不确定度。

这项工作建立了HCI中的禁阻光学跃迁理论(forbidden optical transitions)，可作为尖端的光学时钟和未来高灵敏度搜索超越标准模型的物理学的参考。

相关论文An optical atomic clock based on a highly charged ion于近日发表在国际科学期刊《自然Nature》。

参考资料来源：科技部合作司

关键词： 量子电动力学 原子核的 不确定度