Физики создали радиевые оптические часы

Американские физики сообщили о создании оптических атомных часов на основе иона радия. Они добились относительной неопределенности измерения частоты, равной 9×10⁻¹⁶. Радиевые часы позволили ученым впервые измерить отношения факторов Ланде D_5/2 и S_1/2 состояний. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Атомными часами называют устройства для измерения времени с помощью точного определения частот атомных переходов. Эталоном в этой области стали часы на основе цезия-133 с частотой сверхтонкого перехода равной 9,2 гигагерца. Со временем физики перешли к оптическим частотам, что позволило существенно повысить точность. Сегодня оптические атомные часы помогают ученым искать темную материю, проверять постоянство физических констант со временем и исследовать нарушения принципа эквивалентности Эйнштейна.

Чтобы повысить производительность часов и увеличить их чувствительность, физики перебирают различные атомы в качестве рабочего тела. Для этого, однако, надо сначала научиться эффективно охлаждать и пленять атомы в ловушки. Недавно группа экспериментаторов научилась это делать с ионами радия Ra⁺. Они предположили, что этот ион может быть хорошим кандидатом для создания оптических атомных часов.

Проверить это предположение решила группа американских физиков при участии Эндрю Джеича (Andrew Jayich) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Им удалось создать такие атомные часы на переходе 7s²S_1/2 – 6d²D_5/2 иона ²²⁶Ra⁺ с относительной неопределенностью измерения 9×10⁻¹⁶ и частотной нестабильностью, равной 1,1×10⁻¹³, деленной на корень квадратный от времени измерения. Собранная установка позволила впервые измерить отношения факторов Ланде D_5/2 и S_1/2 состояний.

Для захвата одиночного иона авторы использовали квадрупольную ионную ловушку. Ловушка захватывала частицу, образующуюся в результате лазерной абляции мишени из хлорида радия, которую физики располагали в 15 миллиметрах от центра ловушки. В качестве часового перехода они использовали переход 7s²S_1/2 – 6d²D_5/2, состоящий из нескольких зеемановских компонент. Зеемановское расщепление возникает в присутствии магнитного поля симметрично относительно невозмущенной частоты. Это позволило физикам компенсировать его влияние на измерение центральной частоты. Чтобы уменьшить ошибки, связанные с флуктуациями поля, они синхронизировали измерения с частотой электрического тока равной 60 герц, которым питается установка.

Авторы проводили измерения центральной частоты для различных длительностей протокола и строили соответствующую дисперсию Аллана, которая позволяет оценивать стабильность часов. Дисперсия убывала по закону обратного квадратного корня от времени с коэффициентом 1,1×10⁻¹³. Они также исследовали все факторы, которые вносят вклад в неопределенность измерения частоты. Наибольшими из них оказались переменный эффект Штарка, сдвиг, вызванный окружающим чернотельным излучением, и нескомпенсированные флуктуации магнитного поля. Их учет дал относительную неопределенность, равную 9×10⁻¹⁶.

Данные об измерении всех компонент позволили физикам вычислить отношение факторов Ланде D_5/2 и S_1/2 состояний. Фактор (множитель) Ланде определяет амплитуду зееманского смещения уровня для некоторого магнитного поля в зависимости от его квантовых чисел. Чтобы вычислить их отношение, авторы следили за тем, как эти смещения зависят от магнитного поля в течение измерений, и усредняли их по всем зеемановским компонентам. Это позволило получить значение, равное 0,5988053(11).

Чтобы улучшить точность атомных часов, не обязательно менять сами атомы. Недавно мы рассказывали, как для этого использовали комбинирование частот.

Марат Хамадеев