Исследование, проведённое международной командой с участием Петербургского института ядерной физики и Марианны Сафроновой, знаменует новый виток в области метрологии и физики элементарных частиц. Ученым удалось разработать уникальную методику, которая открывает путь к созданию еще более точных атомных часов, способных не только устанавливать рекорды измерения времени, но и расширять горизонты современных представлений о Вселенной.
Новый взгляд на атомные часы: синтез российской и европейской мысли
В результате коллективной научной работы впервые стало возможным отслеживать динамику электронов вблизи сильно заряженных ионов с недосягаемой ранее точностью. Полученные знания способны коренным образом изменить принципы, лежащие в основе создания атомных часов, что приведет к их дальнейшему совершенствованию.
Такие часы, основанные на свойствах ионов с высокой степенью ионизации, удивительно перспективны для фундаментальных исследований. По словам Марианны Сафроновой, точность новых часов позволит проводить эксперименты, которые ранее были невозможны: это и поиск признаков самых легких разновидностей тёмной материи, и оценка возможных изменений фундаментальных физических констант, а также дополнительная проверка основополагающих положений теории относительности.
Принцип работы современных атомных часов
В основе современных атомных часов лежат ионы редких элементов, таких как иттрий или итттербий, способные переходить между энергетическими уровнями под действием точных лазерных импульсов. Ионы удерживаются электромагнитными ловушками и охлаждаются до экстремально низких температур, вплоть до абсолютного нуля. Именно прецизионное измерение частоты переходов между энергетическими состояниями определяет высокую точность отсчета времени.
Однако, несмотря на впечатляющую точность, достигнутую за последнее десятилетие, такие приборы остаются чувствительны к некоторым внешним воздействиям. Научное сообщество уже давно изучает возможность использования сильно заряженных ионов — атомов, у которых удалены десятки электронов — чтобы минимизировать влияние этих факторов.
Сложности на пути к идеалу: почему ионы так важны
Физики Петербургского института ядерной физики в Гатчине и их зарубежные коллеги столкнулись с важной проблемой: для работы с сильно заряженными ионами необходимы сверхточные данные об их электронной структуре и энергетических уровнях. Теоретические расчеты пока не позволяют предсказывать параметры этих ионов с нужной для практики точностью, что осложняет использование таких ионов в атомных часах.
Изучение столь сложных систем перестало быть недостижимой целью благодаря применённому исследователями новому методу. Основой послужил фундаментальный принцип, восходящий к релятивистской физике: изменение энергии электрона при переходе на более высокий уровень сопровождается микроскопическим изменением массы иона. Это открывает возможность анализа структуры и пригодности энергетических переходов для построения идеальных атомных часов без разрушения структуры самого иона.
Эксперимент на ионах рения: научный прорыв
В ходе эксперимента учёные решили проанализировать поведение сильно заряженных ионов рения — одного из наиболее редких и одновременно невероятно интересных элементов. В лабораторных условиях атомы рения были лишены сразу 29 электронов и помещены в уникальную конструкцию — пять вложенных ловушек, образующих так называемую "матрешку". Комплексные электромагнитные поля заставляли ионы рения двигаться по заданным траекториям, а малейшее изменение массы приводило к изменению характера их движения.
Преимущество нового метода в том, что он позволил специалистам буквально "увидеть" мельчайшие смещения структур энергетических уровней. Это дало возможность глубоко исследовать электронную структуру и подобрать среди ионов те разновидности, которые наилучшим образом подойдут для роли "маятника" в атомных часах будущего.
Потенциал открытия для науки и технологий
Появление такой методики существенно расширяет возможности создания устройств для измерения времени, точность которых будет значительно выше любой из существующих систем. Несмотря на то что сам рений не станет основой для новых атомных часов, полученные данные применимы для анализа ионов других элементов — тех, которые оптимальны по своим физическим параметрам и пригодны для практического внедрения.
Дальнейшее развитие открытых подходов позволит по-новому взглянуть на космос и природу материи. Непревзойдённая точность новых атомных часов облегчит поиск новых физических явлений, дополнит проверку гипотез современной физики и поможет в развитии нанотехнологий, спутниковой навигации, телекоммуникаций и квантовых вычислений.
Будущее атомных часов и научного поиска
Достижение, к которому привели усилия международной команды, — это шаг не только к усовершенствованию измерения времени, но и к расширению научных горизонтов всего человечества. Сотрудничество российских и европейских специалистов открывает перед миллионами учёных во всём мире новые перспективы для поиска истины и чудесных открытий.
Безусловно, исследование под руководством Марианны Сафроновой и с участием Петербургского института ядерной физики служит источником вдохновения для продолжающегося стремления человечества к познанию мира и открывает эру сверхточных измерений в фундаментальной и прикладной науке.
Источник: scientificrussia.ru
