Очень узкий колебательный молекулярный резонанс имеет резкость (или добротность) в три триллиона. Кредит: К. Х. Леунг.

В последние годы многие физики во всем мире представили атомные часы — системы для измерения течения времени, основанные на квантовых состояниях атомов. Эти часы могут найти множество полезных применений, например, при разработке спутниковых и навигационных систем.

В последнее время некоторые исследователи также изучают возможную разработку молекулярных часов, систем, напоминающих атомные часы, но основанных на простых молекулах. Группа ученых Колумбийского и Варшавского университетов недавно создала высокоточные молекулярные часы, которые можно использовать для изучения новых физических явлений.

«Наша недавняя работа — результат многолетних усилий по созданию так называемых молекулярных часов», — рассказала Phys.org Таня Зелевинская, одна из исследователей, проводивших исследование. «Это было вдохновлено быстрым прогрессом в точности атомных часов и осознанием того, что молекулярные часы основаны на другом «тикающем» механизме и, таким образом, могут быть чувствительны к дополнительным явлениям. Одним из них является идея о том, что фундаментальные константы природы может очень незначительно измениться со временем. Другая возможность заключается в том, что гравитация между очень маленькими объектами может отличаться от того, что мы испытываем в более крупных масштабах».

Молекулярные часы, созданные Зелевинской и ее коллегами, основаны на двухатомной молекуле Sr₂, структурно напоминающей две крошечные сферы, соединенные пружинкой. Часы специально используют колебательные моды этой молекулы в качестве точного эталона частоты, что, в свою очередь, позволяет отслеживать время.

Изображение сверххолодных молекул, разбитых на атомы, использовалось исследователями.

«Наши часы требуют использования лазеров для охлаждения атомов вблизи абсолютного нуля и удерживания их в оптических ловушках, побуждая их объединяться в молекулы и направляя на них высокоточные «часовые» лазеры, чтобы фактически произвести измерение», — пояснил Зелевинский. «Некоторые из преимуществ молекулярных часов включают их очень низкую чувствительность к блуждающим магнитным или электрическим полям и очень большое естественное время жизни колебательных мод».

В своем исследовании, опубликованном в журнале Physical Review X, Зелевински и ее коллеги оценили точность своих молекулярных часов в серии тестов, измеряя их так называемую систематическую погрешность. Они обнаружили, что предложенная ими конструкция значительно минимизировала источники ошибок, а их часы достигли общей систематической погрешности 4,6×10^-14, демонстрируя особенно высокую точность.

«Наша недавняя работа устанавливает эталон точности молекулярной спектроскопии с наблюдаемой мерой остроты пика — или его добротности — в 3 триллиона», — сказал Зелевинский. «Это также освещает эффекты, которые ограничивают эту точность, в частности, возможную потерю молекул из-за рассеяния света, в котором они захвачены. Это вдохновляет нас на поиск улучшений в стратегии оптического захвата».

Небольшие сдвиги положения резонанса часов в зависимости от длины волны захватывающего света (обозначены цветом) в настоящее время ограничивают точность вибрационных часов. Кредит: К. Х. Леунг.

Колебательные молекулярные часы, созданные этой группой исследователей, могут стать стандартом для приложений терагерцовой частоты, а также могут стать основой для создания новых инструментов молекулярной спектроскопии. Его конструкцию также можно было бы изменить, заменив молекулы Sr₂ другими изотопными вариантами (с другой массой), что могло бы помочь текущим поискам новых физических взаимодействий.

«В будущем мы надеемся применить молекулярные часы для понимания молекулярной структуры с высочайшей точностью и изучения любых возможных признаков неньютоновской гравитации в нанометровых масштабах», — добавил Зелевинский.