В последнее время исследователи также изучают возможную разработку молекулярных часов. Эти системы напоминают атомные часы, но они основаны на простых молекулах. Ученые из Колумбийского и Варшавского университетов недавно создали высокоточные молекулярные часы, которые можно использовать для изучения новых физических явлений.
«Наша недавняя работа — результат многолетних усилий по созданию так называемых молекулярных часов, — рассказала Таня Зелевински, одна из исследовательниц и авторов новой работы в интервью Phys.org. — Мы вдохновились быстрым прогрессом точности атомных часов. 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 могут очень незначительно измениться со временем. Другая возможность заключается в том, что гравитация между очень маленькими объектами может отличаться от взаимодействия в более крупных масштабах».
Молекулярные часы, созданные Зелевински 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. Фото: K. H. Leung
«Наши часы требуют использования лазеров для охлаждения атомов вблизи абсолютного нуля и удерживания их в оптических ловушках, побуждения их объединяться в молекулы и направлять на них высокоточные “часовые” лазеры, чтобы фактически произвести измерение», — объяснила Зелевински. — Преимущество молекулярных часов в очень низкой чувствительности к блуждающим магнитным или электрическим полям и очень большое естественное время жизни колебательных мод«.
В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review X, Зелевински и ее коллеги оценили точность молекулярных часов в серии тестов, измеряя их систематическую погрешность. Они обнаружили, что предложенная ими конструкция значительно минимизировала источники ошибок, а сами часы достигли общей систематической погрешности 4,6×10−14, демонстрируя особенно высокую точность.
Небольшие сдвиги положения резонанса часов в зависимости от длины волны захватывающего света (обозначены цветом) ограничивают точность вибрационных часов. Фото: K. H. Leung
Колебательные молекулярные часы, созданные группой исследователей, могут стать стандартом для приложений терагерцовой частоты, а также основой для создания новых инструментов молекулярной спектроскопии. Его конструкцию также можно изменить, заменив молекулы Sr₂, другими изотопными вариантами (с другой массой).
«В будущем мы надеемся применить молекулярные часы для понимания молекулярной структуры с высочайшей точностью и изучения любых возможных признаков неньютоновской гравитации в нанометровых масштабах», — заключает Зелевински.
