Учёные из Физико-технического федерального ведомства Германии, Технического университета Брауншвейга и Университета Делавэра разработали новый метод спектроскопии, позволивший детально изучить структуру ядра иона иттербия-173 (173Yb+). 

Ионы 173Yb+ привлекают внимание благодаря своей сложной энергетической структуре, перспективной для применения в квантовых технологиях и поисках «новой физики». Однако, эта же сложность долгое время препятствовала детальным исследованиям иона.

Новый метод позволил исследователям захватить отдельный ион и разработать методы подготовки и регистрации его энергетического состояния. Это, в свою очередь, открыло путь к высокоразрешающей лазерной и микроволновой спектроскопии.

В ходе исследования учёные изучили сдвиги энергии, возникающие из-за взаимодействия между ядром и окружающими его электронами (так называемую сверхтонкую структуру). Комбинация точных измерений и теоретических расчётов позволила получить новую информацию о ядре иона.

Несмотря на то, что атомное ядро часто представляется как заряженная точечная частица, в реальности оно может иметь сложную структуру, которую трудно исследовать напрямую. В данном случае электроны были использованы в качестве «увеличительного стекла», позволяя косвенно изучить структуру ядра. Сравнительные измерения с изотопом иттербия-171 (171Yb+), имеющим другую структуру ядра, но ту же электронную оболочку, позволили уточнить результаты.

«Наши измерения показывают, что даже очень тонкие свойства атомного ядра могут быть доступны через окружающее электронное облако. Это не только приводит к лучшему пониманию этого конкретного ядра, но и обеспечивает важную экспериментальную основу для использования сложных ионов, таких как 173Yb+, для высокоточных часов и для тестов фундаментальной физики в будущем», — пояснил доктор Цзянь Цзян из PTB. Атомные часы на основе ионов иттербия обладают высокой стабильностью и точностью, что делает их перспективными для применения в навигации, телекоммуникациях и научных исследованиях.