Японские физики из Университета Киото разработали сверхточные атомные часы на основе химического элемента иттербий. Уникальность прибора заключается в том, что он способен улавливать мельчайшие физические явления — в том числе косвенные признаки присутствия тёмной материи, природа которой до сих пор остаётся загадкой для учёных, сообщает Interesting Engineering.
Группой учёных руководил физик Тайки Исияма из аспирантуры факультета естественных наук этого университета. В основе разработки лежит редкий тип перехода электрона внутри атома иттербия — так называемый орбитальный переход внутренней оболочки. Теоретически он давно считался перспективным для сверхточных измерений, однако на практике добиться необходимой точности прежде не удавалось. Первые опыты команды Исиямы в 2023 году дали результаты значительно хуже, чем у существующих современных оптических часов — во многом из-за помех от тех же лазерных ловушек, в которых удерживаются атомы.
Для решения этой проблемы учёные применили технику так называемой «магической длины волны», поместив атомы в трёхмерную оптическую решётку — пространственную структуру, образованную пересекающимися лазерными лучами. Это позволило устранить паразитные смещения энергетических уровней атомов, вызванные удерживающим светом. В совокупности с высокостабилизированным возбуждающим лазером исследователям удалось добиться ширины спектральной линии всего в 80 Гц — это примерно в 100 раз лучше всех предыдущих результатов, подчеркнул Исияма.
Благодаря достигнутому уровню точности учёные провели целый ряд высокоточных измерений. В частности, они зафиксировали так называемые сдвиги изотопов — изменения частоты перехода между различными формами атомов иттербия — с точностью до одной миллиардной доли. «Это мощный инструмент для поиска новых частиц — бозонов, которые могут передавать взаимодействие между электронами и нейтронами за рамками Стандартной модели», — отметил Тайки Исияма. Разработка также помогает уточнить теоретические модели поведения атомных ядер. Результаты исследования опубликованы в авторитетном научном журнале Nature Photonics.