Новый спектроскопический метод раскрывает сложную структуру ядра иона иттербия

Учёные из Физико-технического федерального ведомства Германии (PTB), Технического университета Брауншвейга и Университета Делавэра разработали высокоточный метод, позволивший впервые детально изучить сложную энергетическую структуру иона ¹⁷³Yb⁺ и получить новую информацию о строении его атомного ядра. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

На упрощённой схеме электроны действуют как увеличительное стекло, давая экспериментальный доступ к структуре крошечного атомного ядра. Взаимодействия между электронами и ядром порождают так называемую сверхтонкую структуру, которая исследовалась с помощью микроволнового излучения, испускаемого рупорной антенной. Измерения показывают, что ядерный магнетизм распределён по конечному объёму (справа), в отличие от упрощённой точечной модели ядра, которая дала бы чисто дипольную магнитную картину (слева). Авторы: J. Jiang, A. V. Viatkina, Saaswath JK, M. Steinel, M. Filzinger, E. Peik, S. G. Porsev, M. S. Safronova, A. Surzyhkov, and N. Huntemann: High-resolution spectroscopy of 173Yb+ ions, Phys. Rev. Lett. 136, 023001 (2026). https://doi.org/10.1103/rcdh-s4d7

Ион иттербия-173 (¹⁷³Yb⁺) давно привлекает внимание учёных своим богатым спектром энергетических уровней, что делает его перспективным для квантовых технологий и поисков «новой физики». Однако именно эта сложность долгое время мешала его детальному исследованию.

В новой работе исследователям удалось поймать одиночный ион ¹⁷³Yb⁺ в ловушку и разработать методы подготовки и детектирования его энергетического состояния. Это позволило провести высокоточную лазерную и микроволновую спектроскопию. Учёные сосредоточились на изучении сверхтонкой структуры — сдвигов энергетических уровней, возникающих из-за взаимодействия ядра с окружающими его электронами.

Сочетание прецизионных измерений с расчётами из первых принципов позволило получить новые данные о ядре иона. Хотя атомное ядро часто представляют как точечную частицу, в реальности оно имеет сложную структуру, которую трудно исследовать напрямую. В этом эксперименте электронное облако выступило в роли «увеличительного стекла», позволив изучить ядро косвенным образом.

«Наши измерения показывают, что даже очень тонкие свойства атомного ядра можно исследовать через окружающее его электронное облако, — поясняет доктор Цзянь Цзян из PTB. — Это не только ведёт к лучшему пониманию данного конкретного ядра, но и закладывает важную экспериментальную основу для использования сложных ионов, таких как ¹⁷³Yb⁺, в высокоточных часах и для проверки фундаментальной физики в будущем».

Для получения полной картины учёные также провели сравнительные измерения с изотопом ¹⁷¹Yb⁺, который имеет другое строение ядра, но идентичную электронную оболочку. Это помогло выявить, как магнитное поле ядра распределено по его объёму, что противоречит упрощённой точечной модели.

Интересный факт: Ионы иттербия, особенно изотоп иттербий-171, уже используются в одних из самых точных в мире атомных часах. Новое исследование иона иттербия-173 открывает путь к созданию ещё более совершенных квантовых часов, которые могут помочь в проверке фундаментальных постоянных и поиске тёмной материи.