Физики создали атомные часы на многозарядных ионах

Немецкие физики сообщили о создании атомных часов на основе 13-кратно ионизированного атома аргона. Они сверяли частоту перехода между его основным и возбужденным состоянием с частотой, измеряемой стабильными иттербиевыми атомными часами. В результате ученые добились систематической относительной погрешности, сопоставимой с традиционными оптическими атомными часами. Исследование опубликовано в Nature.

Любая физическая система подвержена большому количеству воздействий и процессов, однако их, как правило, можно выстроить в иерархический порядок относительно интенсивности. В первом приближении стоит учитывать только самые значимые процессы, но по мере роста доступной точности все больше из них стоит учитывать. В конечном итоге стабильность работы системы будет характеризоваться отношением интенсивностей полезных взаимодействий к шумовым.

Этот подход наиболее ярко проявляет себя в работе атомных часов. Работа таких устройств основана на точном измерении частоты электромагнитных колебаний, и физики стараются исключить или подавить все возникающие шумы. Другой путь основан на усилении полезных взаимодействий в атомах, а именно связи электронов с ядром, благодаря многократной ионизации. Ученые ожидают, что атомные часы на многозарядных ионах будут обладать большой стабильностью, но до недавнего времени их создание сталкивалось с трудностями, связанными с пленением и охлаждением сильно ионизированных атомов.

Первыми преодолеть эти трудности смогли Стивен Кинг (Steven King) из Физико-технического федерального института в Брауншвейге и его немецкие коллеги. В своей работе они объединили техники по симпатическому охлаждению многозарядных ионов с помощью ионов бериллия в ловушке Пауля, а также по квантовологическому управлению движением и считыванием состояния часовых атомов. В результате они добились систематической относительной погрешности частоты, сопоставимой с погрешностями часов на основе однозарядных ионов или нейтральных атомов.

В роли часовых ионов авторы выбрали бороподобные ионы ⁴⁰Ar¹³⁺ и его изотопы ³⁶Ar¹³⁺. Для производства нужных ионов физики помещали атомы аргона в ловушку и обстреливали их электронным пучком. Итоговый газ содержал ионы различной кратности. Чтобы выделить среди общей массы нужные ионы, физики разгоняли весь ансамбль и отсеивали его по времени пролета до затворного электрона, которое, в свою очередь, чувствительно к отношению заряда к массе. Одиночные ионы с пятью оставшимися электронами физики загоняли в ловушку Пауля, где находились одиночные ионы ⁹Be⁺. Дополнительный (логический) ион помог ученым снизить температуру до милликельвинового уровня и определять внутреннее состояние многозарядного иона.

Физики опрашивали ион аргона на длине волны 441 нанометр, соответствующей переходу из основного в ближайшее возбужденное состояние. Они получали это излучение удвоением частоты диодного лазера на длине волны 882 нанометра, стабилизированного резонаторами и оптической гребенкой. Последняя была привязана к высокостабильному эталонному лазеру с длиной волны 1,5 микрометра. В такой системе стабильность относительной частоты составила 4 × 10^-17 в масштабах времени от одной до ста секунд.

Измеряемую частоту ученые сравнивали с частотой атомных часов на основе иона иттербия, чья относительная систематическая неопределенность была им известна и равна 3 × 10^-18. Эти часы обслуживала отдельная частотная гребенка, которая, однако, была привязана к тому же эталонному лазеру. Это позволило скомпенсировать некоторые систематические ошибки.

В результате долгосрочных измерений (100000 секунд для ⁴⁰Ar¹³⁺ и 50 000 секунд для ³⁶Ar¹³⁺) физикам удалось добиться относительной погрешности частоты, равной примерно 1 × 10^-16. Неопределенность, вызванная систематическими сдвигами, составила около 2,2 × 10^-17, самый существенным из которых оказались нескомпенсированные микродвижения электродов ловушки. Измерение же частоты одновременно у двух изотопов позволило исследовать эффекты ядерной отдачи в многозарядных ионах на девять порядков точнее, чем в существующих работах, а также уточнить квадрупольные моменты и множители Ланде у состояний иона. Новые значения оказались в хорошем согласии с квантовоэлектродинамическими расчетами.

Техника квантовой логики не связана напрямую с квантовыми вычислениями и логическими операциями, как может показаться на первый взгляд. Так называют методы измерения и управлением одним ионом с помощью другого в ловушке. Мы уже рассказывали, как таким способом изучают неупругие соударения.