Масс-спектрометр позволил увидеть атомные переходы в реальном времени

Физики разработали новый метод детектирования изменения в массе отдельных атомов при квантовых прыжках электронов с помощью высокоточного масс-спектрометра. Ученые измерили сильнозаряженные ионы рения и обнаружили новое метастабильное состояние, которое может быть использовано в атомных часах. Работа опубликована в журнале Nature.

В 1905 году Альберт Эйнштейн показал, что любая энергия может быть ассоциирована с некоторой массой: E=mc². Этот факт дает возможность измерять энергию систем путем измерения их массы: например, теоретически можно вычислить заряд телефона или механических часов с помощью относительных высокоточных весов. В современной физике в качестве таких весов выступают масс-спектрометры: они способны детектировать изменения в массе группы заряженных атомов, ионов. Однако, изменения в массе одного иона зафиксировать крайне трудно и до сих пор этого не удавалось сделать.

Международная группа физиков при участии ученых из России увидела изменения массы по-разному заряженных ионов рения с помощью масс-спектрометра PENTATRAP, который был построен в университете Макса Планка в Гейдельберге, Германия. Это устройство позволяет детектировать изменения в массе иона с точностью 10^-11 — на порядок лучше предыдущих масс-спектрометров.

Устройство состоит из 5 ловушек Пеннинга, основанных на электромагнитном удержании заряженных частиц, таких как ионы. В эксперименте два по разному заряженных иона рения помещались в ловушки, а затем раскручивались с помощью поля; в результате измерялась циклотронная частота. Более заряженный ион, в силу того, что он более тяжелый, крутился медленнее, что и удалось задетектировать с помощью PENTATRAP.

Разработанный метод позволяет изучать атомные переходы в реальном времени. Изучая различные состояния иона физики обнаружили новое долгоживущее квантовое состояние, его время распада составляет около 130 дней. Так же физики провели численные симуляции, которые подтвердили существование и время жизни обнаруженного метастабильного состояния. Такие долгоживущие состояния могут быть использованы в атомных часах, которые необходимы как в исследования фундаментальной физики так и в приложениях, таких как быстрая коммуникация.

В 2018 году мы писали о том, что точность атомных часов была увеличена на столько, что ошибка в 1 секунду накапливается за несколько сотен миллиардов лет использования. Такие часы даже доказали свою долгосрочную работу в космосе.

Михаил Перельштейн