Итербиевые атомные часы. Источник: AI
Пока мы стараемся не опоздать на встречу, физики из Киотского университета (Kyoto University) занимаются вещами, которые трудно постичь здравым смыслом. Они создали атомные часы на основе итербия, которые не просто отмеряют секунды, а претендуют на роль детектора «новой физики». Это устройство настолько чувствительно, что может заметить малейшие колебания в структуре вселенной, которые мы обычно игнорируем из-за несовершенства собственных инструментов.
Проект возглавил физик Тайки Исияма (Taiki Ishiyama). В основе разработки лежит редкий орбитальный переход в атомах итербия – специфическое изменение энергетических конфигураций, связанное с внутренним электронным слоем атома. Ученые давно считали этот механизм перспективным, поскольку он очень чувствителен к тонким физическим эффектам. Однако на практике добиться необходимой точности измерений было заданием со звездочкой.
Энергетические игры внутри атома
Обычные атомные часы измеряют время частоты переходов электронов между двумя энергетическими уровнями. Современные эталоны, такие как оптические часы на стронции, которыми занимается NIST, настолько точны, что их погрешность составит менее секунды за десятки миллиардов лет. Но итербий предлагает еще более высокий уровень игры. Главная проблема ранних экспериментов заключалась в том, что лазеры, удерживающие атомы в ловушке, создавали помехи, искажая результаты измерений.
Чтобы обойти это ограничение, команда из Киотского университета использовала метод магической длины волны. Это такое состояние, при котором свет лазера почти не влияет на требуемые энергетические уровни атома. Атомы разместили в трехмерной оптической решетке и использовали высокостабилизированный лазер возбуждения. Результат – стабильность, позволяющая заглянуть за пределы известной физики.
Зачем нам точность?
Казалось бы, зачем человечеству часы, точность которых превышает время существования самой Вселенной? Ответ лежит в фундаментальных вопросах. Высокая чувствительность итербиевого устройства позволяет:
- Искать признаки темной материи из-за ее возможного влияния на атомные уровни.
- Проверять стабильность фундаментальных физических констант.
- Выявлять новые элементарные частицы и неизвестные до сих пор взаимодействия.
Кроме теоретической физики разработка имеет вполне прикладное значение для квантовых технологий. Контроль над атомными состояниями с такой прецизионностью критически важен для создания квантовых компьютеров и систем сверхточного позиционирования, где миллисекунды решают все.
Пока одни ученые работают над точностью измерения времени, другие ищут способы ускорить передачу данных, используя лазеры вместо радиоволн для создания чипов нового поколения.