Vědci přesněji změřili dobu života metastabilních stavů iontů ytterbia

Vědci z Univerzity v Amsterdamu a Univerzity Nového Jižního Walesu se ve své nedávné práci zaměřili na chování iontů kovu ytterbium a jejich takzvané dlouhověké, neboli metastabilní, stavy. Jde o otázku, kterou fyzikové řeší už několik desetiletí – konkrétně to, jak dlouho dokáže elektron v atomu zůstat v excitovaném stavu, než se vrátí do základního stavu, a co přesně tuto dobu ovlivňuje.

Ytterbium patří mezi prvky, které se v atomové fyzice a kvantových technologiích těší dlouhodobému zájmu, protože jeho ionty mají energetické hladiny vhodné pro přesná měření i pro uchovávání kvantové informace. Právě stabilita takzvaných metastabilních stavů, tedy stavů, které vydrží výrazně déle než běžné excitované stavy, je pro praktické využití klíčová. Čím déle si iont dokáže pamatovat svůj stav, aniž by došlo k jeho rozpadu, tím spolehlivěji ho lze využít jako nosič informace nebo jako referenční bod pro přesné měření času.

Výzkumný tým se snažil přesněji určit dobu života těchto dlouhověkých stavů u iontů ytterbia, a přispět tak k odpovědi na otázku, která zůstávala otevřená po velmi dlouhou dobu. Přestože se ytterbium v laboratořích používá již řadu let, přesné parametry stability jeho energetických hladin nebyly dosud plně objasněny, což komplikovalo další teoretické i experimentální práce v této oblasti.

Znalost přesné doby života metastabilních stavů má přitom zásadní praktický význam. V oblasti kvantových počítačů se ionty s dlouhou dobou koherence využívají jako kvantové bity, tedy qubity, na kterých stojí veškeré výpočty. Pokud stav iontu zanikne příliš rychle, informace se ztrácí a výpočet se stává nespolehlivým. Naopak stavy s dostatečně dlouhou životností umožňují provádět složitější operace a udržet kvantovou informaci po delší dobu, což je nezbytné pro praktické nasazení kvantových technologií mimo laboratorní podmínky.

Podobně důležitá je stabilita těchto stavů i pro atomové hodiny, které patří mezi nejpřesnější měřicí přístroje, jaké lidstvo zkonstruovalo. Atomové hodiny fungují na principu měření frekvence přechodů mezi energetickými hladinami atomů nebo iontů, a čím stabilnější a lépe definovaný je daný přechod, tím přesnější měření času lze dosáhnout. Ionty ytterbia se již dnes v některých typech atomových hodin používají, a přesnější znalost jejich metastabilních stavů by mohla vést k dalšímu zpřesnění těchto zařízení, která se využívají nejen ve vědeckém výzkumu, ale i v navigačních systémech, telekomunikacích nebo synchronizaci globálních sítí.

Spolupráce mezi Univerzitou v Amsterdamu a Univerzitou Nového Jižního Walesu spojila expertízu obou pracovišť v oblasti atomové a kvantové fyziky. Podobný mezinárodní přístup je v tomto oboru běžný, protože přesná měření vyžadují specializované vybavení a metodiky, které se často vyvíjejí paralelně na více pracovištích po celém světě.

Výsledky výzkumu zapadají do širšího trendu posledních let, kdy se vědecká komunita snaží najít ionty a atomy s co nejlépe definovanými a nejstabilnějšími energetickými přechody. Kromě ytterbia se podobně zkoumají i další prvky, jako je stroncium nebo hliník, přičemž každý z nich má své specifické výhody i omezení. Ytterbium je atraktivní mimo jiné