Впервые международная группа физиков успешно использовала редкий орбитальный переход в атомах иттербия для создания нового типа атомных часов, которые одновременно обладают высокой точностью и чрезвычайно чувствительны к фундаментальным физическим эффектам.

Опубликовав свои результаты в журнале Nature Photonics, исследователи во главе с Тайки Исиямой из Киотского университета заявляют, что их подход может проложить путь к одним из самых строгих проверок предсказаний Стандартной модели.

Для измерения течения времени атомные часы возбуждают электрон в заключенных атомах до более высокого энергетического уровня, а затем исследуют частоту перехода атомов. Поскольку эти колебания демонстрируют очень незначительные изменения, атомные часы являются самыми точными из когда-либо разработанных устройств для измерения времени.

Иллюстрация: Phys.org

На сегодняшний день самые точные устройства включают атомы, захваченные в оптическую решетку: периодическую структуру света и темноты, создаваемую интерферирующими лазерными лучами. Эти часы работают на оптических частотах с сотнями триллионов колебаний в секунду — намного превосходя микроволновые частоты, используемые в предыдущих конструкциях атомных часов. Уже сейчас эта необычайная точность позволяет проводить чувствительные проверки фундаментальных физических явлений, описанных в Стандартной модели.

В 2018 году теоретики предположили, что эту чувствительность можно еще больше повысить, используя редкий тип орбитального перехода в атомах иттербия. Этот переход происходит между конфигурациями, включающими электрон внутренней оболочки, скрытый глубоко внутри атома, но его все еще можно измерить и контролировать с той же точностью, что и обычные переходы, наблюдаемые с помощью оптических часов. Что особенно важно, он также очень чувствителен к тонким эффектам, которые физики пытаются исследовать, включая возможные признаки темной материи.

В принципе, это делает переход идеальным инструментом для выявления пробелов в Стандартной модели.

В ранних экспериментах одним из главных ограничений было влияние самой оптической решетки. Поскольку лазерный свет, используемый для захвата атомов, также возмущал их энергетические уровни, он вносил нежелательные сдвиги в измеряемые частоты. В результате ширина спектральной линии — обозначающая разброс измеряемых частот — оставалась слишком широкой для высокоточной работы.

Чтобы преодолеть это, ученые предложили использовать захват атомов иттербия в трехмерной оптической решетке, используя «магическую длину волны», которая устраняет сдвиги частот, вызванные захватывающим светом. Сочетая это с высокостабилизированным возбуждающим лазером, они достигли узкой спектральной ширины линии в 80 Гц, что примерно на два порядка лучше, чем предыдущие результаты. Это существенное сужение ширины линии позволило команде гораздо четче разрешить переход, приблизив его характеристики к характеристикам современных оптических часов...

Опускаем дальнейшие подробности работы, с которыми можно ознакомиться по приведенной выше ссылке. Укажем только, что с некоторыми дальнейшими усовершенствованиями исследователи надеются, что использованный переход между внутренними оболочками может лечь в основу нового поколения атомных часов, которые не только будут отсчитывать время с необычайной точностью, но и смогут служить мощным инструментом для исследования фундаментальных законов, управляющих Вселенной.