Создан прототип сверхточных оптических часов на основе ионов никеля

Схема компонентов эксперимента. Точные расчёты позволяют оценить частоту перехода с беспрецедентной точностью. Это используется для настройки лазера на резонанс и приводит к успешному возбуждению Ni¹²⁺. Автор: PTB

Международная группа исследователей совершила прорыв в создании оптических часов нового поколения. Учёным впервые удалось идентифицировать сверхузкий атомный резонанс в высокозаряженном ионе никеля Ni¹²⁺, что открывает путь к разработке сверхточных часов, превосходящих существующие аналоги.

Оптические часы измеряют время по колебаниям света, а не микроволн, как традиционные атомные часы. Точность таких часов зависит от способности идентифицировать узкие атомные переходы — изменения энергетического состояния электронов в ионе или атоме.

Художественное изображение высокозаряженного иона (слева), захваченного вместе с бериллиевым логическим ионом (справа) для симпатического охлаждения и квантового логического считывания. Автор: PTB

«Целью нашего эксперимента было проведение высокоточной спектроскопии на высокозаряженных ионах», — пояснили соавторы исследования Мальте Верхайм и Пит О. Шмидт.

«Мы смогли идентифицировать переход всего за несколько часов, хотя его естественная ширина линии всё ещё составляет менее триллионной доли диапазона неопределённости», — отметил Верхайм.

Исследователи использовали лазер на сапфире с титаном (Ti:Sa), который может генерировать свет в очень широком диапазоне частот. Это позволило им эффективно «просеивать стог сена» в поисках «иглы» — нужного атомного перехода.

Криогенная ионная ловушка из золотого покрытия и микроструктурированного оксида алюминия на фильтровальной плате. Автор: PTB

«Мы вскоре планируем провести высокоточную спектроскопию и создать атомные часы на основе Ni¹²⁺», — заявили авторы работы. — «Мы надеемся, что эти часы превзойдут другие, потому что экстремальные электронные свойства высокозаряженного иона делают его нечувствительным к внешним возмущениям и позволяют проводить более точные измерения».

Это достижение может иметь важные последствия не только для разработки оптических часов, но и для изучения сложных атомных систем. В будущем этот подход может быть использован для точного определения энергий переходов других высокозаряженных ионов.

«Одна из главных целей нашей будущей работы — использовать нашу систему для поиска тёмной материи, которая, согласно прогнозам, должна сильнее взаимодействовать с определёнными переходами в высокозаряженных ионах по сравнению с ранее исследованными видами», — добавил Шмидт.

Оптические часы на основе высокозаряженных ионов могут найти применение в фундаментальных физических исследованиях, включая проверку теории относительности и поиск новых физических явлений.