Европейские и российские ученые создали и проверили методику, благодаря которой можно отслеживать положение электронов в окрестностях сильно заряженных ионов. Это открытие позволит создать сверхточные атомные часы, пишут ученые в научном журнале Nature.
"Подобные часы, сделанные на основе сильно заряженных ионов, будут особенно интересны для науки. В частности, их точность впервые позволит физикам провести эксперименты по поискам самых легких форм темной материи, следов новой физики в вариациях значений фундаментальных констант, а также еще раз проверить теорию относительности", – прокомментировала открытие Марианна Сафронова, физик из Дэлаверского университета (США).
Атомные часы – это сверхточная система измерения времени. Маятником в ней служат ионы иттербия или некоторых других химических элементов с особыми физическими свойствами. Они находятся внутри специальных электромагнитных ловушек и охлаждаются до температур, близких к абсолютному нулю.
Алгоритм, который управляет работой атомных часов, периодически облучает эти ионы особым лазерным лучом, заставляя их внешние электроны колебаться между разными энергетическими уровнями. Атомы одного типа "переключаются" между этими состояниями за одно и то же время и с одной и той же частотой, что позволяет очень точно отслеживать ход времени.
Новые пределы точности
Создание подобных часов почти десять лет назад позволило физикам увеличить точность замера времени на несколько порядков. Тем не менее, подобный прибор все же остается уязвим перед различными внешними помехами. С большинством этих проблем, как давно знают ученые, можно справиться с помощью так называемых сильно заряженных ионов – атомов, которые лишены не одного-двух, а нескольких десятков электронов.
Проблема, как пишут ученые из Петербургского института ядерной физики в Гатчине, а также их зарубежные коллеги, заключается в том, что у физиков не было точных представлений о том, как устроены энергетические уровни и как ведут себя электроны, вращающиеся вокруг подобных ионов. Аналогичным образом их свойства нельзя просчитать теоретическими методами с точностью, которая была бы достаточна для работы атомных часов.
Специалисты решили эту проблему, обратив внимание на закономерность, вдохновением для которой послужила теория относительности Эйнштейна. В соответствии с ее выкладками масса иона должна несколько измениться, если один из его электронов перейдет из состояния покоя на более высокие энергетические уровни. Это позволяет изучать структуру этих уровней и то, насколько разные переходы пригодны для создания атомных часов, не разрушая при этом сам ион.
Руководствуясь этой идеей, авторы статьи провели первые замеры такого рода для сильно заряженных ионов рения, одного из самых редких элементов на Земле. Для этого ученые лишили атомы рения сразу 29 электронов и поместили их в специальную "матрешку" из пяти вложенных друг в друга ловушек, чьи электромагнитные поля заставляли ионы двигаться по круговой волнистой линии. Любые изменения в их массе меняли характер движения ионов внутри ловушки, что позволяло ученым очень точно измерять эти сдвиги.
Подобный прием позволил физикам детально изучить структуру энергетических уровней в ионах рения и сделать большой шаг в сторону создания сверхточных атомных часов на основе подобных частиц. Сам рений нельзя использовать для создания таких приборов, однако эту методику, как заключают ученые, можно применять и для изучения свойств ионов других элементов, подходящих на эту роль.