В лабораториях, где атомы охлаждают почти до абсолютного нуля, даже крошечное изменение магнитного поля сбивает все настройки. Обычные датчики — пластинки Холла или катушки с ферритовым сердечником — стоят в нескольких сантиметрах от вакуумной камеры, потому что сами создают помехи. Но расстояние означает, что они не чувствуют поле именно там, где находятся атомы.
Физики из Института квантовой оптики Общества Макса Планка поступили иначе: превратили само облако атомов рубидия-87 в измерительный прибор. Два слабых лазерных импульса слегка «задевают» атомы, не разрушая облако. По тому, как атомы поглощают свет, можно вычислить расщепление энергетических уровней в магнитном поле — эффект Зеемана. Чем сильнее поле, тем больше расщепление, и тем точнее атомы «сообщают» о своей среде.
Но атомы не только измеряют — они же и корректируют. Чтобы убрать медленный дрейф поля, который достигал 70 нанотесла в час, учёные применили фильтр Калмана — математический алгоритм, который предсказывает следующее значение по предыдущим измерениям, как опытный водитель предугадывает поведение машины на скользкой дороге. Фильтр управлял компенсирующими катушками, и поле стабилизировалось. Плата за точность — чуть больше случайных скачков от выстрела к выстрелу: с 1,8 до 2,0 нанотесла.
Теперь сверххолодные атомы не просто объект исследования, а чуткий страж собственной стабильности. Тот же подход пригодится в атомных часах и квантовых симуляторах, где магнитное поле должно быть идеально ровным часами напролёт.
Рубидий-87 — тот самый изотоп, на котором работают самые точные атомные часы в мире. Одна секунда в них определяется 9 192 631 770 колебаниями излучения, связанного с переходом между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния этого атома.