Veel moderne atoomklokken en quantumcomputers hebben zogeheten ‘gevangen ionen’ in hun kern. Ionen, elektrisch geladen atomen, kunnen zich in veel verschillende toestanden bevinden, elk met een verschillende hoeveelheid energie. Door hun lading kunnen deze ionen in de lege ruimte blijven zweven en op hun plaats worden gehouden met behulp van elektromagnetische velden. De werking van de klok of de computer is dan afhankelijk van de nauwkeurige controle over de energietoestand waarin zo'n ion zich bevindt.

Onderzoekers van de universiteiten van Amsterdam en New South Wales hebben nu ontdekt dat het ytterbiumion (Yb⁺), een belangrijke kandidaat voor beide technologieën, verrassend lang in voorheen niet onderzochte toestanden kan blijven. In het lab van Rene Gerritsma aan het UvA-Institute of Physics bracht het team een ​​enkel Yb⁺-ion in een aantal zogeheten metastabiele (dat wil zeggen: bijna stabiele) toestanden door het met een laser naar een hoog energieniveau te exciteren. Van daaruit verviel het ion naar lager gelegen toestanden, waarvan sommige ook metastabiel bleken te zijn, waardoor het lang duurde voordat het ion terugkeerde naar zijn grondtoestand. Op deze manier registreerde het team vervalsignalen die overeenkwamen met levensduren van ongeveer 1 seconde en 10 seconden en vond men zelfs bewijs voor een toestand met een levensduur van meer dan 30 seconden. De resultaten werden onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review A [1].

Promovendus Zeger Ackerman, eerste auteur van de publicatie, legt uit: “Om de metingen mogelijk te maken, hebben we niet slechts één ion gevangen, maar twee ionen tegelijk. Eén daarvan was voor spectroscopische metingen en de andere om het systeem continu te koelen en te stabiliseren zonder de metastabiele toestand die werd bestudeerd te verstoren. Hierdoor konden we observeren hoe het ion in een metastabiele toestand bleef en de vervaltijd ervan nauwkeurig bepalen. Gedetailleerde berekeningen van de atoomstructuur bevestigden vervolgens de resultaten van de metingen.”

De nieuw gekarakteriseerde toestanden kunnen toepassingen vinden in quantumcomputers en atoomklokken. De onderzoekers zijn vooral enthousiast over de toestand met een levensduur van 1 seconde. Berekeningen tonen aan dat deze relatief gemakkelijk vanuit de grondtoestand kan worden bereikt met slechts één laserpuls. De levensduur van 1 seconde en de voorspelde sterkte van de overgang suggereren dat deze gebruikt zou kunnen worden om de detectie van toestanden van quantumbits (qubits) en hun generalisaties (zogeheten qudits) in ytterbiumionen aanzienlijk te verbeteren.

Wat deze specifieke toestand betreft, beantwoordt het onderzoek een vraag van vijfendertig jaar geleden van de theoretische natuurkundigen Fawcett en Wilson [2], die een levensduur van 5,2 seconden voor dezelfde toestand voorspelden en om experimentele bevestiging vroegen. Gezien de complexiteit van de energieniveaustructuur van Yb⁺ bleek hun voorspelling behoorlijk nauwkeurig te zijn!

Referenties

[1] Long-lived metastable states in the 4f¹³5d6s configuration of Yb⁺, Z. E. D. Ackerman, A. Cadarso Quevedo, Ilango Maran, L. P. H. Gallagher, R. J. C. Spreeuw, J. C. Berengut en R. Gerritsma, Phys. Rev. A 113, 062811 (2026).

[2] Computed oscillator strengths, Landé 𝑔 values, and lifetimes in YB II, B. Fawcett en M. Wilson, At. Data Nucl. Data Tables 47, 241 (1991).