Новый оптический атомный часовой стандарт на основе иттербия-173

В отличие от других атомов (слева), иттербий-173 (справа) обладает большим ядерным спином и сильно деформированным ядром, чьи мощные поля взаимодействуют с электронной оболочкой. Это превращает запрещённые квантовые скачки в разрешённые переходы (см. красно-зелёную стрелку «слабо разрешённый») и облегчает возбуждение перехода лазером. Автор: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

В течение многих лет цезиевые атомные часы надёжно отсчитывали время по всему миру. Но будущее принадлежит ещё более точным часам: оптическим атомным часам. Через несколько лет они могут изменить определение базовой единицы секунды в Международной системе единиц (СИ). До сих пор совершенно не ясно, какой из различных типов оптических часов ляжет в основу этого нового стандарта.

Прогресс в области оптических атомных часов

К большому числу оптических часов, которые реализовала ведущая в этой области организация Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), может добавиться ещё один тип: оптические многоионные часы на основе ионов иттербия-173. Они могут сочетать высокую точность одиночных ионов с улучшенной стабильностью нескольких ионов. К такому выводу пришло сотрудничество между PTB и тайским метрологическим институтом NIMT.

Команда под руководством Таньи Мельштойблер сообщает об этом в текущем выпуске журнала Physical Review Letters. Результаты также интересны для квантовых вычислений и, благодаря новому взгляду внутрь атома, для фундаментальных исследований.

Принцип работы оптических атомных часов

Оптические атомные часы с одиночными ионами (например, иттербий-171) отличаются особой точностью, в то время как часы с несколькими частицами (например, атомами стронция) очень стабильны. Танья Мельштойблер исследует комбинацию этих двух свойств и уже создала многоионные часы на основе индия. Теперь она также рассматривает иттербий для реализации многоионной концепции, но новый изотоп: иттербий-173. «Этот изотоп имеет особенно интересный переход», — поясняет физик.

Переход означает квантовый скачок в атомных часах: изменение квантового состояния, которое возможно только при очень конкретной частоте микроволнового или лазерного излучения. Микроволновое излучение используется в современных цезиевых атомных часах. Оптические часы работают с лазерным излучением. Поскольку эти колебания примерно в сто тысяч раз быстрее, время можно подразделить более тонко и, следовательно, измерить точнее.

Потенциал и значение часов на основе иттербия-173

Квантовый скачок в новом изотопе иттербия приводит к возбуждённому состоянию с очень большим временем жизни. «Это позволяет нам проводить более стабильные измерения, — объясняет первый автор работы Цзялян Юй. — Но такие переходы обычно требуют мощного лазерного света, что, в свою очередь, может иметь серьёзные недостатки».

Однако этот изотоп иттербия имеет очень особую форму атомного ядра и специальные свойства, которые позволили команде преодолеть проблемы и даже контролировать несколько ионов одновременно.

Теперь это проложило путь к созданию многоионных оптических часов на иттербии, которые сочетают высокую точность одноионных часов с улучшенной стабильностью многоионной работы. Новый атомный вид также очень хорошо подходит в качестве мультикубита для квантовой информации, поскольку квантовые состояния можно чрезвычайно точно манипулировать лазерным излучением и одновременно кодировать больше квантовой информации. Это открывает новую возможность для исследований в области квантовых компьютеров.

Впервые измеренное время жизни часового состояния даёт ценную информацию о структуре атомного ядра и позволяет проводить чувствительные тесты ядерной физики, например, для поиска возможных эффектов за пределами стандартной модели физики.

Источник: Physikalisch-Technische Bundesanstalt