Японские физики разработали сверхточные атомные часы на основе редкоземельного элемента иттербия, которые могут помочь проверить пределы Стандартной модели физики и даже искать тёмную материю.

Работа опубликована в журнале Nature Photonics и открывает путь к новым экспериментам, которые могут расширить наше понимание фундаментальной физики и природы тёмной материи.

Руководил проектом доктор Тайки Исияма из Высшей школы наук Киотского университета. Исследователи использовали редкий орбитальный переход в атомах, который долго считался перспективным, но слишком трудным для точного измерения.

Атомные часы измеряют время по переходам электронов между двумя энергетическими уровнями атома, традиционно используя цезий-133. Эти переходы происходят на чрезвычайно стабильных частотах, что делает атомные часы самыми точными измерителями времени в мире. В новых часах атомы удерживаются в оптической решётке, образованной пересекающимися лазерными лучами, что позволяет работать с сотнями триллионов колебаний в секунду.

Использование редкого орбитального перехода в атомах иттербия, происходящего с внутренним электроном, значительно повышает чувствительность системы. Это позволяет обнаруживать слабые физические эффекты, включая признаки тёмной материи или неизвестных частиц. Ранее измерения таких переходов были менее точными из-за влияния лазеров, удерживающих атомы.

Команда Исиямы применила метод «магической длины волны», чтобы разместить атомы иттербия в трёхмерной оптической решётке, устранив нежелательные сдвиги энергетических уровней. В сочетании с высокостабильным возбуждающим лазером это позволило добиться спектральной ширины линии всего 80 Гц — примерно в 100 раз точнее предыдущих результатов. Это приблизило систему к современным оптическим часам самого высокого класса.

Учёные провели измерения изотопных сдвигов, отслеживая, как частота перехода изменяется между различными изотопами иттербия. Достоверность измерений достигала одной части на миллиард. Это открыло возможности для поиска новых бозонов, которые могут опосредовать взаимодействия между электронами и нейтронами за пределами Стандартной модели, и улучшило модели атомного и ядерного поведения.

Результаты показали, что теперь внутренние переходы можно контролировать с высокой точностью, что делает эти часы мощным инструментом для квантовых экспериментов и исследований новых физических явлений.