Одни из самых точных в мире «хранителей времени» – это, безусловно, атомные часы, отсчитывающие время по поглощению очень специфического микроволнового излучения с постоянной частотой, которое, приводя атом в возбужденное состояние, заставляет электроны переходить с определенного энергетического уровня на более высокий фиксированный уровень. Для того, чтобы повысить точность атомных часов, этого оказывается недостаточно, и требуется новый базис.

Исследования последних лет указывают на прекрасного кандидата в технологии точного измерения времени – оптический переход. Первым преимуществом такого подхода является то, что используется оптическое излучение вместо микроволнового. Несмотря на то, что частота поглощенного излучения никогда не является точной – имеется некоторая «размытость», тем не менее оптические транзакции всегда имеют гораздо более узкую полосу частот, чем микроволновое излучение. Это означает, что часы, основанные на измерениях, связанных с оптическими переходами, теоретически, по крайней мере, должны быть точнее.

Ученые из объединенной группы Национальной Физической лаборатории (National Physical Laboratory), Великобритания, в которую также входили физики Оксфордского Университета (Oxford University) и Лондонского Имперского колледжа (Imperial College London), исследовали оптические переходы, имеющие место в очень холодных атомах. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review А (Frequency measurement of the 2S1/2–2F7/2 electric octupole transition in a single 171Yb+ ion). Британским физикам удалось значительно повысить точность измерений очень тонких и слабых оптических переходов в ионах иттербия. Эти результаты могут привести к новому виду атомных часов, которому нет равных по точности.

Ученые загрузили отдельный ион иттербия в ловушку, поддерживающую ион в псотоянном положении при помощи радиочастотного электрического поля, и облучив этот ион импульсом лазерного излучения, они охладили его. Далее, используя лазерное излучение специфической длины волны – 467 нм – они вызывали совершенно определенные энергетические переходы электронов. Несмотря на очень сложную конфигурацию эксперимента, результаты были успешными. По мнению Патрика Гилла (Patrick Gill), одного из ведущих авторов работы, существует большое количество атомов и множество длин волн, которые могут быть использованы для построения оптико-атомных часов; однако ион иттербия под воздействием излучения с длиной волны 467 нм особенно интересен, поскольку дает, согласно теории, самый узкий оптический переход. Ширина полосы оптического перехода и, соответственно, погрешность атомных часов будут в большой степени зависеть от ширины пучка и стабильности излучения зондирующего лазера.

Поскольку энергетический переход, интересовавший физиков, очень слаб и спектрально узок, в эксперименте было сложно одновременно прецезионно сфокусировать лазерный пучок и зафиксировать точную частоту перехода. Ученым пришлось использовать второй пучок излучения с так называемой «охлаждающей» длиной волны – 369 нм, перекрывавший первый пучок лазерного излучения. Длина волны 369 нм вызывала довольно сильную флуоресценцию даже одиночного иона. При этом, флуоресценция наблюдалась именно на конкретной, необходимой частоте. Зарегистрировать слабое поглощение отдельного иона было делом техники – физики использовали известный метод «квантового скачка» («quantum jump»).

Оригинальный способ настройки системы лазерных пучков и техники повышения механической стабильности схемы позволили группе получить погрешность измерения частоты 2.10–14, что в 50 раз точнее известных опубликованных результатов. Исследователи продолжают работу по усовершенствованию геометрии пучков лазерного излучения, что должно еще более повысить точность измерений.

Различные методы «атомного» измерения времени, на которые сегодня полагается весь мир, получили импульс развития благодаря новой и очень точной технике измерений. Мы уже публиковали материалы из мира точнейших атомных часов. Заинтересованный читатель может посмотреть, например, здесь: Разработан способ существенного повышения точности атомных стронциевых часов

Евгений Биргер