Группа экспертов по атомным часам из немецкого метрологического института Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) стала первой в мире группой, которой удалось создать оптические атомные часы на основе единственного иона, имеющие точность, которая до этого была достижима разве что только в теории. Эта теория была разработана в 1981 году Хансом Георгом Демельтом (Hans Georg Dehmelt), немецким физиком, который в 1989 году удостоился чести стать лауреатом Нобелевской премии в области физики. И согласно этой теории, единственный ион, пойманный в высокочастотной ловушке, может стать основой атомных часов, погрешность работы которых составляет неимоверно малую величину, 10^-18.
C того времени различные группы ученых неоднократно предпринимали попытки создания оптических атомных часов, основанных на одном ионе или на группе нейтральных атомов. Однако, ученым из PTB удалось стать первыми, кто добрался до финишной черты. Их оптические часы с единственным ионом иттербия продемонстрировали относительную систематическую погрешность измерения времени в 3*10^-18.
Эталоном измерения времени, определяющим значение соответствующей величины в системе СИ, являются атомные цезиевые часы. “Маятник” этих часов состоит из атомов цезия, которые колеблются на собственной резонансной частоте под влиянием микроволнового излучения в диапазоне 10^10 Гц. Однако существует некоторая уверенность, что следующим эталоном единицы времени станут оптические атомные часы, частота возбуждения которых находится в диапазоне от 10^14 до 10^15 Гц, что делает их намного более стабильными и точными, нежели цезиевые часы. Точность измерения времени, полученная при помощи новых оптических атомных часов, приблизительно в сто раз выше, нежели точность самых лучших цезиевых часов.
В конструкции новых часов исследователи из института PTB использовали несколько уникальных физических свойств ионов Yb+. Эти ионы могут находиться в двух стабильных энергетических состояниях. Одно из этих состояний, F state, характеризуется очень точным значением резонансной частоты, а ион может находиться в этом состоянии на протяжении шести лет непрерывно без необходимости оказания на него каких-либо дополнительных воздействий. Второе состояние, D3/2 state, демонстрирует более большой разброс резонансной частоты, но ионы в этом состоянии можно использовать в качестве высокочувствительных датчиков, позволяющих очень точно настроить эксплуатационные режимы системы часов в целом. И еще одним преимуществом ионов Yb+ является то, что длина волны лазерного света для их возбуждения позволяет использовать для этого надежные полупроводниковые лазеры, которые достаточно легко поддаются управлению и стабилизации.
Решающим моментом, позволившим ученым добиться успеха, стала комбинация двух мер. Во-первых, для помещения иона иттербия в одно из двух состояний была разработана специальная процедура, которая позволяет на лету переключать резонансную частоту иона при помощи света из внешнего источника. Во-вторых, изменение резонансной частоты иона, вызванное тепловым инфракрасным излучением окружающей среды, которое и без того является маленьким в случае иона Yb+, было определено с высокой точностью, погрешность измерения составила всего 3 процента. Имея на руках это значение, ученым ничего не стоило компенсировать температурный дрейф резонансной частоты при помощи последовательного возбуждения иона инфракрасным светом с четырьмя различными длинами волн.
Еще одной особенностью ионов Yb+, находящихся в F-состоянии, является сильная зависимость энергетических показателей этого состояния от значений некоторых фундаментальных физических констант. Также на энергетические показатели оказывает влияние взаимодействие между электронами и определенной формой материи, которая известна под названием темной материи и которая играет одну из главных ролей в существующей космологической модели. Сравнение показателей часов на ионах Yb+ и показателей других высокоточных оптических атомных часов представляет собой многообещающий способ проверки некоторых теорий из области “новой физики” в лабораторных условиях.