Физики впервые смогли измерить время, не используя часов
Швейцарские ученые впервые смогли измерить промежуток времени, которое возбужденный электрон тратит на побег из атома, что позволит создать точнейшие атомные часы, не зависящие от качества работы лазеров, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
"Наша работа является первым шагом в новую сферу физики, который может породить целый пласт фундаментальных и прикладных исследований. Мы прикоснулись к самой сути времени и наши наблюдения не только помогут понять, как происходит процесс фотоэмиссии электронов, но и создать новые методы спектроскопии", - заявил Хуго Дил (Hugo Dil) из Федеральной политехнической школы Швейцарии в Лозанне.
Как правило, в атомных часах два иона находятся в электромагнитной "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 начинают запаздывать или спешить на секунду лишь 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 испускать лазерные вспышки и определять то время, когда ион поглощает лазерный импульс и затем повторно испускает его. Повышение точности работы самых "продвинутых" атомных часов сегодня ограничивается 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, что заставляет его "сбежать" от атома и отправиться в свободную среду. Этот процесс, открытый Альбертом Эйнштейном еще в 1905 году, раньше считался фактически мгновенным, однако наблюдения последних лет показывают, что это может быть на самом деле не так.
Пытаясь понять, так ли это, швейцарские физики наблюдали за процессом рождения электронов при обстреле медной пластинки лазерными импульсами на разных длинах волн и замеряя задержку при помощи "обычных" атомных часов. Эти наблюдения указали на то, что время, которое проходит между побегом электрона и обстрелом медной пластинки, отражается в том, в какую сторону "повернут" спин частицы.
Соответственно, зная, как поляризован спин электрона, можно измерить время, которое он затратил на побег из пластинки, используя иные квантовые физические характеристики частицы. Используя эту закономерность, ученые подтвердили, что данный промежуток времени существует на практике и что он составляет 27 миллиардных долей наносекунды.
Подобная методика замера времени, как считают ученые, 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 очень сложно определить, когда именно он начался. В нашем эксперименте мы напрямую измерили время, и поэтому у нас не было такой проблемы - нам удалось замерить самый быстрый процесс во Вселенной. И лазеры, и замеры спина можно сочетать друг с другом, и их союз откроет для нас целое новое царство физики", - заключает Мауро Фанчулли (Mauro Fanciulli), еще один автор открытия.
