Обычные атомные часы тикают, когда электрон перескакивает между уровнями энергии. Но внешние поля и толчки могут сбить этот ритм. Высокозаряженные ионы — атомы, у которых оторвали много электронов, — почти не замечают таких помех: их электроны сидят глубоко и крепко. Поэтому из них получаются сверхстабильные «маятники».
Чтобы такие часы заработали, нужно знать точную частоту перехода. Авторы рассчитали переход 5f_5/2 – 6p_1/2 в ионе Cf17+. Они учли, как электроны взаимодействуют друг с другом (корреляции), включая тройные возбуждения, и добавили поправки на квантовую электродинамику — влияние виртуальных частиц, которые постоянно рождаются и исчезают. Оказалось, что корреляции между внешним электроном и внутренними сильно сдвигают частоту. Без них расчёт был бы неточным.
Спектроскопия высокозаряженных ионов — это как настройка струны: нужно точно попасть в ноту. Расчёт даёт экспериментаторам ориентир: на какой частоте искать переход. Тогда ион можно будет поймать в ловушку, охладить и использовать как сверхточные часы. Такие часы пригодятся для проверки, меняются ли фундаментальные постоянные со временем, и для навигации в глубоком космосе.
Высокозаряженные ионы настолько нечувствительны к внешним полям, что их переходы могут быть стабильнее, чем у лучших современных часов на нейтральных атомах.