高电荷离子钟：检验精细结构常数变化的前沿候选者

人们尝试将引力与自然其他三种基本力统一。如高维模型所暗示，这种统一可能需要某些无量纲基本常数随空间和时间变化。在此情形下，在宇宙时间尺度上的低能区探测电磁精细结构常数（$\alpha= \frac{e^2} {\hbar c}$）的时间变化极具意义。原子钟是探测 $\alpha$ 变化的理想候选者，因为其跃迁频率可被测至超高精度。由于原子跃迁频率是 $\alpha$ 的函数，在不同时间和空间位置测量钟频率可给出证实此类猜想的特征信号。高电荷离子（HCIs）中的电子经历异常增强的相对论效应。因此，与等电子中性或单电荷原子系统相比，这些离子中常可观测到能级交叉。该过程的特征在于其原子跃迁具有更显著的相对论敏感系数（$q$）。为明确探测由 $\alpha$ 变化引起的跃迁频率细微改变，考虑 $q$ 值极大的跃迁是明智的。HCIs 被认为是最适合制造原子钟的候选者之一，因为其轨道异常收缩而对外部电磁场最不敏感。首个 HCI 钟已实现，但其精度远低于基于中性原子和单电荷离子的对钟光学钟。HCI 钟的实现可为基本物理研究增添新维度。本工作中，我们依据一般特征（包括探测 $\alpha$ 时间变化的潜力）调研适用于钟候选者的 HCIs。