Поки більшість людей користуються смартфонами або годинниками для перевірки часу, фізики з Кіотського університету займаються пристроями, які здатні виявляти явища, що недоступні для звичайного сприйняття. Їхня нова розробка — атомні годинники на основі іттербію — не просто вимірюють секунди, а можуть виявляти найменші коливання у структурі всесвіту, які раніше залишалися непоміченими. Проєкт очолює фізик Тайкі Ісіяма.
Серцем годинника є унікальний орбітальний перехід в атомах іттербію, пов’язаний із внутрішніми електронними оболонками. Цей механізм надзвичайно чутливий до тонких фізичних ефектів, але досягти стабільних і точних вимірювань було вкрай складно.
Класичні атомні годинники визначають час за переходами електронів між енергетичними рівнями. Сучасні еталони, такі як стронцієві оптичні годинники від NIST, настільки точні, що їхнє відхилення складає менше секунди за десятки мільярдів років. Годинники на основі іттербію підвищують цю точність ще більше. Раніше лазери, які утримували атоми у необхідному положенні, створювали перешкоди, що спотворювали результати. Щоб уникнути цього, команда з Кіото застосувала метод «магічної довжини хвилі»: при певній частоті лазера світло майже не впливає на критичні енергетичні рівні атома. Атоми розташовуються у тривимірній оптичній решітці і збуджуються високостабілізованим лазером. Цей підхід забезпечує виняткову стабільність і дозволяє спостерігати ефекти, які виходять за межі відомої фізики.
Чому науковці прагнуть до точності, що перевищує вік Всесвіту? Відповідь полягає у фундаментальних дослідженнях: виявлення потенційного впливу темної матерії на атомні рівні; перевірка стабільності фундаментальних фізичних констант; пошук нових елементарних частинок і раніше невідомих взаємодій. Окрім теоретичної фізики, така точність має практичне значення. Контроль атомних станів на цьому рівні критично важливий для створення квантових комп’ютерів та систем надточного позиціювання, де мілісекунди можуть визначати результат цілих експериментів.