Международная группа исследователей разработала новый тип атомных часов на основе редкого орбитального перехода в атомах иттербия (химический элемент периодической системы с атомным номером 70 и символом Yb, относится к лантаноидам (редкоземельным элементам)). Эти часы сочетают высокую точность с повышенной чувствительностью.
Принцип работы атомных часов: электрон в атоме переводят на более высокий уровень, затем измеряют частоту перехода между состояниями. Современные часы используют атомы в оптической решетке, работающей на оптических частотах (сотни триллионов колебаний в секунду), что делает их точнее микроволновых аналогов.
Атомные часы благодаря своей точности применяются не только в хронометрии, но и в фундаментальной физике для проверки законов, неизменности констант и поиска отклонений от Стандартной модели. В 2018 году предложено использовать необычный переход в атомах иттербия, где электрон внутренней оболочки взаимодействует с внешним полем. Этот переход трудно наблюдать экспериментально, но он должен сильнее реагировать на тонкие эффекты, включая следы темной материи.
В 2023 году исследователи впервые наблюдали оптический переход. Результаты позже подтвердились, но измерения были неточными из-за сдвига энергетических уровней атомов лазерным светом. Это делало спектральную линию слишком широкой для точных часов.
Проблема была решена с помощью «магической длины волны» – настройки лазера, которая удерживает атомы без значительного сдвига частоты. Команда использовала эту технику с атомами иттербия в трехмерной оптической решетке и стабилизированным лазером, что позволило сузить спектральную линию до 80 герц, улучшив точность на два порядка.
Узкая линия повысила четкость измерений, приблизив часы к лучшим современным оптическим стандартам. На демонстрации физики исследовали важные свойства: когерентные колебания между основным и возбужденным состояниями под стабильным лазером и межорбитальный резонанс Фешбаха, где два атома временно связываются. Это подтверждает тонкое управление системой в экспериментальной атомной физике.
Измерения изотопического сдвига важны для поиска новых частиц и взаимодействий. В работе изотопические сдвиги измерены с точностью до одной миллиардной доли, что позволило наложить ограничения на гипотетические эффекты. Это особенно интересно для поиска бозона, связывающего электроны и нейтроны. Результаты также полезны для теоретических моделей атомного ядра, улучшая проверку расчетов ядерной структуры.
Теперь исследователи понимают, что внутренний электронный переход в иттербии может стать не только предметом теоретических исследований, но и полезным инструментом для высокоточной физики. При дальнейшей доработке этой технологии возможно создание нового поколения оптических часов. Эти устройства будут не только обеспечивать чрезвычайно точное измерение времени, но и функционировать как чувствительные датчики для тестирования самых фундаментальных теорий о строении Вселенной.
Источник: securitylab.ru
распечатать статью
