Оптические часы — это высокоточные устройства для измерения времени, которые отслеживают колебания света, в отличие от микроволн, как в обычных атомных часах. Точность этих часов во многом зависит от способности идентифицировать узкие так называемые атомные переходы, которые представляют собой изменения в энергетическом состоянии электронов в ионе или атоме.
Исследователи из Университета Делавэра, Physikalisch-Technische Bundesanstalt и Института ядерной физики Макса Планка работают над созданием всё более точных оптических часов на основе высокозаряженных ионов.
В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, они представляют теоретические расчёты и вычислительный подход, который может проложить путь к разработке сверхстабильных оптических часов на основе Ni¹²⁺ — атома никеля, которому не хватает 12 электронов.
Основные моменты исследования
- Цель эксперимента: проведение высокоточной спектроскопии на высокозаряженных ионах.
- Выбор Ni¹²⁺: этот ион обладает сильно запрещённым переходом, идеально подходящим для работы в качестве оптических часов.
- Теоретические расчёты: физики-теоретики выполнили более точные расчёты изменений энергии, связанных с узким переходом между двумя квантовыми состояниями электронов в Ni¹²⁺.
- Экспериментальные усилия: исследователи смогли идентифицировать переход всего за несколько часов, несмотря на то, что его естественная ширина составляет менее триллионной доли диапазона неопределённости.
Оптимизация эксперимента
Для оптимизации эксперимента исследователи использовали Ti:Sa (титановый:сапфировый) лазер. Этот твердотельный лазер может генерировать свет в очень широком диапазоне частот, вместо того чтобы излучать свет с одной фиксированной длиной волны, как многие другие существующие лазеры.
Результаты
- Идентификация перехода: исследователи смогли идентифицировать узкий атомный резонанс в Ni¹²⁺, что подчёркивает потенциал этого иона для будущего развития атомных часов.
- Перспективы: авторы планируют провести высокоточную спектроскопию и создать атомные часы на основе Ni¹²⁺. Ожидается, что эти часы превзойдут другие часы благодаря экстремальным электронным свойствам высокозаряженного иона, которые делают его нечувствительным к внешним возмущениям и позволяют проводить более точные измерения.
Значение работы
Эта работа может иметь важные последствия как для разработки оптических часов, так и для изучения сложных атомных систем. В будущем подход, применённый исследователями, может быть использован для точного определения энергий переходов других высокозаряженных ионов за короткий промежуток времени.
Будущие направления
Одной из основных целей будущей работы будет использование системы для поиска тёмной материи, которая, как ожидается, имеет более сильную связь с определёнными переходами в высокозаряженных ионах по сравнению с ранее исследованными видами.
Ni¹²⁺ служит отличной испытательной площадкой для будущих экспериментов и позволяет внести свой вклад в улучшение оптических часов.
© 2025 Science X Network