Магнитное поле Земли непостоянно: оно дрожит от солнечного ветра, от далёких гроз, от работы метро. Чтобы заметить эти дрожания, нужен прибор, который сам не дрожит. Физики собрали такой прибор из атомов иттербия, охлаждённых почти до абсолютного нуля.
В обычном газе атомы носятся хаотично, их сигнал размывается за миллисекунды. Здесь атомы иттербия закреплены в ячейках оптической решётки — как яйца в картонной упаковке. Два изотопа: иттербий-171 со спином 1/2 и иттербий-173 со спином 5/2. Спин — это крошечный магнит внутри атома. Вместе они измеряют магнитное поле, а разница их откликов позволяет вычесть общий шум. Получается комагнитометр: два датчика в одном.
Главная трудность — свет, который удерживает атомы, сам сбивает их спины. Световое поле слегка поворачивает каждый спин, как поток воды поворачивает лёгкую лодочку. Чтобы этого избежать, поляризацию света выровняли строго линейно, а для иттербия-173 использовали состояние кота Шрёдингера — суперпозицию двух противоположных ориентаций спина, где сдвиги взаимно гасятся. В результате оба изотопа удалось опросить одновременно с высокой точностью.
Что это даёт? Подавление магнитного шума более чем в 30 тысяч раз. Отношение ядерных магнитных моментов измерено с точностью 4 миллионных доли. Такая чувствительность позволяет искать сверхслабые взаимодействия, не вписывающиеся в Стандартную модель: например, поля от гипотетических частиц тёмной материи.
Теперь у физиков есть платформа, где квантовые состояния живут минуту, а не мгновение. Это шаг к датчикам, которые почувствуют то, что раньше было неразличимо на фоне теплового шума.
Иттербий назван в честь иттербиевого рудника в Швеции, где его впервые нашли. Из одного килограмма руды можно выделить меньше миллиграмма этого металла.
В сериале «Экспансия» сверхчувствительные магнитные датчики на холодных атомах помогают обнаруживать корабли с выключенными двигателями — похожая технология уже работает в лабораториях.