Время — это иттербий: как новые атомные часы будут искать темную материю

Иттербиевые атомные часы. Источник: AI

Пока мы пытаемся не опоздать на встречу, физики из Киотского университета (Kyoto University) занимаются вещами, которые трудно понять здравым смыслом. Они создали атомные часы на основе иттербия, которые не просто измеряют секунды, а претендуют на роль детектора «новой физики». Это устройство настолько чувствительно, что может заметить малейшие колебания в структуре вселенной, которые мы обычно игнорируем из-за несовершенства своих инструментов.

Проект возглавил физик Таики Исияма (Taiki Ishiyama). В основе разработки лежит редкий орбитальный переход в атомах иттербия — специфическое изменение энергетических конфигураций, связанное с внутренним электронным слоем атома. Ученые давно считали этот механизм перспективным, поскольку он чрезвычайно чувствителен к тонким физическим эффектам. Однако на практике достичь необходимой точности измерений было задачей со звездочкой.

Энергетические игры внутри атома

Обычные атомные часы измеряют время по частоте переходов электронов между двумя энергетическими уровнями. Современные эталоны, такие как оптические часы на стронции, которыми занимается NIST, настолько точны, что их ошибка составит меньше секунды за десятки миллиардов лет. Но иттербий предлагает еще более высокий уровень игры. Главная проблема ранних экспериментов заключалась в том, что лазеры, которые удерживают атомы в ловушке, создавали помехи, искажая результаты измерений.

Чтобы обойти это ограничение, команда из Киотского университета использовала метод «магической длины волны». Это такое состояние, при котором свет лазера почти не влияет на нужные энергетические уровни атома. Атомы разместили в трехмерной оптической решетке и применили высокостабилизированный лазер возбуждения. Результат — стабильность, которая позволяет заглянуть за границы известной физики.

Зачем нам такая точность?

Казалось бы, зачем человечеству часы, точность которых превышает время существования самой Вселенной? Ответ лежит в фундаментальных вопросах. Высокая чувствительность иттербиевого устройства позволяет:

• Искать признаки темной материи через ее возможное влияние на атомные уровни.
• Проверять стабильность фундаментальных физических констант.
• Обнаруживать новые элементарные частицы и неизвестные доселе взаимодействия.

Кроме теоретической физики, разработка имеет вполне прикладное значение для квантовых технологий. Контроль над атомными состояниями с такой прецизионностью критически важен для создания квантовых компьютеров и систем сверхточного позиционирования, где миллисекунды решают все.

Пока одни ученые работают над точностью измерения времени, другие ищут способы ускорить передачу данных, используя лазеры вместо радиоволн для создания чипов нового поколения.