Фізики створили надточний атомний годинник нового покоління, який може не лише перевершити попередні технології вимірювання часу, а й допомогти у пошуку темної матерії та перевірці фундаментальних законів Всесвіту. Нову розробку представила команда під керівництвом Таїкі Ісіяма з Кіотський університет.
В основі цього прориву лежить використання атомів ітербію та рідкісного типу електронного переходу — процесу, коли електрон змінює свій енергетичний стан. Саме такі переходи лежать в основі роботи атомних годинників, які сьогодні вважаються найточнішими приладами для вимірювання часу.
Зазвичай подібні пристрої використовують атоми цезію або стронцію, де частота коливань електронів є надзвичайно стабільною. Проте новий підхід базується на переході електрона у внутрішній оболонці атома ітербію — явищі, яке раніше вважалося перспективним, але надто складним для точних вимірювань.
Науковцям вдалося подолати цю проблему завдяки використанню так званої «магічної довжини хвилі» та тривимірної оптичної решітки — спеціальної структури, утвореної лазерами. Вона дозволяє утримувати атоми у стабільному стані та мінімізувати вплив зовнішніх факторів, які можуть спотворювати результати.
У результаті дослідники досягли значного підвищення точності: ширина спектральної лінії становила лише 80 герц, що приблизно у сто разів краще, ніж у попередніх експериментах. Це дозволило спостерігати тонкі квантові ефекти, включно з когерентними коливаннями між станами атомів і резонансними явищами.
Особливо важливим є те, що новий годинник має підвищену чутливість до найменших змін у фізичних процесах. Саме це робить його потенційно корисним для пошуку нових частинок і явищ, які не описуються сучасною Стандартна модель. Зокрема, йдеться про можливість виявлення темної матерії — загадкової субстанції, яка становить значну частину маси Всесвіту, але не взаємодіє зі світлом.
Дослідники також провели високоточні вимірювання ізотопних зсувів — змін частоти переходів у різних ізотопах ітербію. Точність цих вимірювань досягла рівня однієї мільярдної частки, що відкриває можливість пошуку нових бозонів — частинок, які можуть передавати взаємодії поза межами відомої фізики.
Результати роботи, опубліковані в журналі Nature Photonics, демонструють, що внутрішньооболонкові переходи можуть бути не лише теоретично цікавими, а й практично керованими з високою точністю.
У перспективі такі атомні годинники можуть стати універсальними інструментами для дослідження найтонших ефектів у фізиці — від квантових явищ до космологічних загадок. І хоча пошук темної матерії ще триває, нова технологія робить цей шлях значно більш реалістичним.