Физики впервые смогли измерить время, не используя часы
Как правило, в атомных часах два иона находятся в магнитной «ловушке» на расстоянии нескольких микрометров друг от друга. Ученые «стреляют» по ионам из лазера, и взаимодействие атомов позволяет выделять два состояния — условные ноль и единицу. Колебания между этими состояниями и есть отсчет времени. Подобные конструкции позволяют достичь невероятной точности измерения времени — современные атомные часы накапливают отставание на секунду через миллиарды лет.
Одним из главных недостатков атомных часов, как рассказывает Дил, является то, что для их работы нужны достаточно точные «обычные» часы, необходимые для того, чтобы регулировать работу лазера и определять время, когда ион поглощает лазерный импульс и затем испускает собственный. Предел точности самых «продвинутых» атомных часов сегодня задается именно тем, что «чистоту» и качество лазерных импульсов крайне сложно повышать.
Дил и его коллеги смогли обойти эту проблему, обратив внимание на то, что происходит с энергией света в тот момент, когда фотон поглощается одним из внешних электронов в атоме. Поглощенная энергия фотона заставляет электрон преодолеть притяжение протона и «сбежать» из атома. Этот процесс, открытый Альбертом Эйнштейном еще в 1905 году, раньше считался фактически мгновенным, однако наблюдения последних лет показывают, что он требует некоторого времени.
Швейцарские физики наблюдали за процессом рождения электронов при обстреле медной пластинки лазерными импульсами на разных длинах волн, измеряя задержку при помощи «обычных» атомных часов. Наблюдения указали на то, что время, которое проходит между обстрелом медной пластинки и побегом электрона, влияет на спин частицы.
Соответственно, зная спин электрона, можно измерить время, затраченное на побег из пластинки, используя иные квантовые физические характеристики частицы. Опираясь на эту закономерность, ученые подтвердили, что такой промежуток времени существует на практике — он составляет 27 миллиардных долей наносекунды.
Подобная методика замера времени поможет разработать новые способы изучения свойств материи и света, улучшить атомные часы и решить многие другие задачи, где требуется очень высокая и стабильная точность измерений. «Лазеры позволяют очень точно измерять задержки между началом и концом различных процессов, но нам в таких случаях бывает крайне сложно определить, когда именно он начался. В нашем эксперименте мы напрямую измерили время, и поэтому у нас не было такой проблемы — удалось замерить самый быстрый процесс во Вселенной. И лазеры и замеры спина можно сочетать друг с другом, их союз откроет для нас целое новое царство физики», — заключает исследователь Мауро Фанчулли (Mauro Fanciulli).
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.