Физики давно ищут способы сделать атомные часы точнее, а квантовые компьютеры — надежнее. Важную роль в этих технологиях могут сыграть захваченные ионы: электрически заряженные атомы, которые удерживают в пустом пространстве с помощью электромагнитных полей. Их энергетические состояния удается точно контролировать, и именно на этом строится работа устройств. Особый интерес вызывает ион иттербия (Yb⁺): он считается одним из лучших кандидатов для таких систем.
Исследователи из Амстердамского университета (Нидерланды) и университета Нового Южного Уэльса (Австралия) вплотную подошли к решению давнего вопроса: могут ли ионы иттербия переходить в долгоживущие, почти стабильные (метастабильные) состояния — и если да, то насколько долго они способны в них оставаться.
В лаборатории ученые работали с одиночным ионом Yb⁺, возбуждая его лазером до высокого энергетического уровня. После этого ион переходил на более низкие уровни, причем некоторые из них тоже оказывались метастабильными — ион мог оставаться в них очень долго. Команда зафиксировала сигналы распада, соответствующие временам жизни около 1 с и 10 с, а также нашла доказательства существования состояния со временем жизни больше 30 с. Результаты опубликованы в журнале Physical Review A.
Чтобы провести измерения, мы поймали не один, а сразу два иона. Один из них использовался для спектроскопических измерений, а другой — для непрерывного охлаждения и стабилизации системы без нарушения изучаемого метастабильного состояния. Это позволило нам наблюдать за тем, как ион остается в метастабильном состоянии, и точно определять время его распада. Подробные расчеты атомной структуры подтвердили результаты измерений
Особенно исследователей заинтересовало состояние с временем жизни в одну секунду: расчеты показывают, что его можно относительно легко достичь из основного состояния с помощью всего одного лазерного импульса. Такая особенность делает состояние перспективным для работы с квантовыми битами (кубитами) в ионах иттербия — оно может заметно улучшить обнаружение их состояний.
Кроме того, исследование дало ответ на вопрос, который 35 лет назад поставили физики‑теоретики Фосетт и Уилсон: они предсказали время жизни этого состояния в 5,2 с и просили экспериментального подтверждения. С учетом сложности структуры энергетических уровней Yb⁺ прогноз оказался удивительно точным. Открытие может стать важным шагом на пути к более совершенным квантовым устройствам и сверхточным атомным часам.
Ранее Наука Mail рассказывала, что в Китае стартовало серийное производство миниатюрных атомных часов.