Les horloges atomiques ordinaires tiquent lorsqu'un électron saute entre des niveaux d'énergie. Mais les champs extérieurs et les chocs peuvent perturber ce rythme. Les ions hautement chargés — des atomes auxquels on a arraché de nombreux électrons — ne remarquent presque pas ces perturbations : leurs électrons sont profondément et solidement liés. Ils constituent donc des « pendules » ultra-stables.
Pour que de telles horloges fonctionnent, il faut connaître la fréquence exacte de la transition. Les auteurs ont calculé la transition 5f_5/2 – 6p_1/2 dans l'ion Cf17+. Ils ont pris en compte la façon dont les électrons interagissent entre eux (corrélations), y compris les excitations triples, et ont ajouté des corrections de l'électrodynamique quantique — l'influence des particules virtuelles qui naissent et disparaissent constamment. Il s'est avéré que les corrélations entre l'électron externe et les électrons internes déplacent fortement la fréquence. Sans elles, le calcul serait imprécis.
La spectroscopie des ions hautement chargés, c'est comme accorder une corde : il faut viser juste la note. Le calcul donne aux expérimentateurs un repère : à quelle fréquence chercher la transition. Ensuite, on pourra piéger l'ion, le refroidir et l'utiliser comme une horloge ultra-précise. De telles horloges serviront à vérifier si les constantes fondamentales changent avec le temps, et pour la navigation dans l'espace lointain.
Les ions hautement chargés sont si insensibles aux champs extérieurs que leurs transitions pourraient être plus stables que celles des meilleures horloges actuelles à atomes neutres.