Оптические переходы являются современным аналогом маятника механических часов. В атомных часах "маятник" - это излучение, которое возбуждает переход между двумя атомными состояниями разной энергии. В случае атомных часов с цезием он находится в микроволновом диапазоне, в случае оптических часов - в диапазоне лазерного излучения, так что их "маятник" колеблется с более высокой скоростью, и, следовательно, оптические часы считаются атомными часами будущего.

В эксперименте, проведенном в PTB, ученые посвятили себя особому запрещенному переходу. В квантовой механике "запрещенный" означает, что переход между двумя энергетическими состояниями атомов практически невозможен из-за сохранения симметрии и углового момента. Возбужденное состояние может быть очень устойчивым: в рассматриваемом здесь случае время жизни так называемого F-состояния иона иттербия Yb + составляет ок. 6 лет. Благодаря такому длительному сроку службы, во время лазерного возбуждения этого состояния можно наблюдать чрезвычайно узкий резонанс, ширина линии которого зависит только от качества используемого лазера. Узкая резонансная линия является важной предпосылкой для точных оптических часов. В Британской национальной физической лаборатории (NPL), родственном институте PTB, лазерное возбуждение этого состояния Yb +-F из основного состояния было впервые достигнуто в 1997 году. Однако, поскольку переход строго запрещен, для его возбуждения требуется относительно высокая интенсивность лазера. Это нарушает электронную структуру иона в целом и приводит к сдвигу резонансной частоты, так что атомные часы, основанные на нем, будут показывать скорость, зависящую от интенсивности лазера.

В PTB теперь стало возможным показать, что чередующееся возбуждение иона двумя различными интенсивностями лазера позволяет с высокой точностью определять невозмущенную резонансную частоту. Благодаря этому стало возможным исследовать другие частотные сдвиги, часто происходящие в атомных часах, например, под действием электрических полей или теплового излучения окружающей среды. Оказалось, что они неожиданно малы в случае состояния Yb +-F, что можно объяснить особой электронной структурой состояния. Это решающее преимущество для дальнейшего развития этих атомных часов. В экспериментах в PTB относительная неопределенность частоты Yb + была определена с 7 • 10-17. Это соответствует неопределенности атомных часов, составляющей всего около 30 секунд по сравнению с возрастом Вселенной.

Обе группы в NPL и PTB измерили частоту перехода Yb + с помощью своих цезиевых часов, и результаты согласуются в пределах неопределенностей (1 • 10-15 и 8 • 10-16), которые в основном определяются цезиевыми часами. В рамках исследовательского проекта, недавно одобренного в рамках Европейской программы метрологических исследований, два института в будущем будут еще более интенсивно сотрудничать с другими европейскими партнерами в разработке этих оптических часов. В случае иона Yb + особый интерес представляет то, что он имеет два перехода, которые подходят для оптических часов: менее строго запрещенный, но также очень точный, возбуждение D-уровня может использоваться при длине волны 436 нм. Это открывает возможность исследования точности оптических часов путем сравнения частоты двух переходов в одном ионе, без необходимости обращаться к цезиевым часам.