Atomski sat sa iterbijumom otvara novi prozor fundamentalne fizike

Međunarodni tim fizičara uspešno je upotrebio redak orbitalni prelaz u atomima iterbijuma kako bi stvorio novi tip atomskog sata, istovremeno visoko precizan i izuzetno osetljiv na fundamentalne fizičke efekte.

Objavljujući rezultate u žurnalu Nature Photonics, istraživači, predvođeni Taikijem Išijamom sa Univerziteta u Kjotu, navode da bi njihov pristup mogao utrti put za neke od najstrožih testova predviđanja standardnog modela do sada, piše Phys.org.

Preporučujemo

Da bi merio protok vremena, atomski sat pobuđuje elektron u zarobljenim atomima na viši energetski nivo, a zatim ispituje frekvenciju prelaza atoma. Budući da ove oscilacije pokazuju veoma male varijacije, atomski satovi su najtačniji razvijeni hronometri.

Najprecizniji uređaji koriste atome zarobljene u optičkoj rešetki: periodičnom nizu svetlosti i tame koji stvaraju interferirajući laserski zraci. Ovi satovi rade na optičkim frekvencijama sa stotinama triliona oscilacija u sekundi - što daleko nadmašuje mikrotalasne frekvencije korišćene u ranijim dizajnima atomskih satova. Ova izvanredna preciznost već je omogućila osetljive testove fundamentalne fizike, kako ih opisuje standardni model.

Teoretičari su 2018. godine predložili da bi se ova osetljivost mogla dodatno povećati korišćenjem retkog tipa orbitalnog prelaza u atomima iterbijuma. Ovaj prelaz se dešava između konfiguracija koje uključuju elektron iz unutrašnje ljuske, skriven duboko unutar atoma, ali se i dalje potencijalno može meriti i kontrolisati sa istim nivoom preciznosti kao i konvencionalni satni prelazi. Ključno je to što je on takođe veoma osetljiv na suptilne efekte koje fizičari pokušavaju da ispitaju, uključujući moguće tragove tamne materije.

U principu, ovo čini ovaj prelaz idealnim alatom za otkrivanje pukotina u standardnom modelu. U praksi se, međutim, postizanje potrebnog nivoa preciznosti pokazalo kao izazov.

- Iako je naš tim prvi primetio ovaj prelaz 2023. godine, a druge grupe su ga sledile, rezolucije merenja bile su mnogo lošije od onih kod modernih optičkih satova – objasnio je Išijama.

Za ove ranije eksperimente jedno od glavnih ograničenja bio je uticaj same optičke rešetke. Pošto je laserska svetlost korišćena za hvatanje atoma takođe remetila njihove energetske nivoe, ona je unosila neželjene pomake u merenim frekvencijama. Kao rezultat toga, spektralna širina linije - koja označava raspon merenih frekvencija - ostala je previše široka za rad visoke preciznosti.

- Da bi to prevazišli, zarobili smo atome iterbijuma u trodimenzionalnu optičku rešetku koristeći „magičnu talasnu dužinu“, koja eliminiše frekvencijske pomake uzrokovane svetlošću za zarobljavanje. Kombinovanjem ovoga sa visoko stabilizovanim laserom za pobudu, postigli smo usku spektralnu širinu linije od 80 Hz, što je poboljšanje od oko dva reda veličine u odnosu na prethodne rezultate - objašnjava Išijama.

Ovo dramatično suženje širine linije omogućilo je timu da razluči prelaz sa daleko većom jasnoćom, približavajući njegove performanse najsavremenijim optičkim satovima.

Sa ovom poboljšanom kontrolom, istraživači su takođe mogli da ispitaju nekoliko ključnih fizičkih svojstava sistema. To je uključivalo koherentne oscilacije između osnovnog i pobuđenog stanja pod dejstvom stabilnog lasera, kao i interorbitalnu Fešbahovu rezonancu: fenomen u kojem se dva sudarajuća atoma nakratko spajaju formirajući kratkotrajno složeno stanje.

Kako bi demonstrirao preciznost svoje tehnike, tim je takođe sproveo merenja izotopskog pomaka: oblik spektroskopije koji prati kako se frekvencija prelaza menja kada se jedan stabilan izotop iterbijuma zameni drugim. U ovom slučaju, pomaci su mereni sa preciznošću od jednog dela u milijardi.

- Ovo je moćan alat za potragu za novim bozonom koji posreduje u interakcijama između elektrona i neutrona izvan standardnog modela - napominje Išijama.

Analizom ovih merenja, istraživači su sada postavili stroga nova ograničenja na takve hipotetičke efekte pod određenim pretpostavkama, dok su istovremeno pružili dragoceno merilo za teorijske modele atomskih jezgara.

- Štaviše, naš rad utire put za atomski sat sa optičkom rešetkom koji kombinuje visoku tačnost merenja i visoku osetljivost na nove fizičke fenomene - kaže Išijama.

Uz dalja usavršavanja, istraživači se nadaju da bi ovaj prelaz unutar unutrašnje ljuske mogao biti osnova za novu generaciju atomskih satova koji ne samo da mere vreme sa izvanrednom preciznošću, već bi mogli služiti i kao moćne sonde fundamentalnih zakona koji upravljaju univerzumom.

(Telegraf Nauka/Phys.org)