یك یون ایتربیم به دام افتاده و استاندارد زمان

تك یونی كه در یك تله الكترومغناطیسی بی‌حركت شده باشد می‌تواند حد اعلای استاندارد زمان را فراهم كند. استاندارد فعلی بر اساس اختلاف انرژی بین دو تراز فوق ریز در حالت پایه اتم سزیم است. فعلاً دقت بهترین ساعت‌های سزیم در حد سه قسمت در 1015 قسمت است. اما صحبت از ساعت نوریی است كه 1000 بار دقیق‌تر است. این یعنی خطایی كمتر از یك ثانیه در سنجش سن عالم.
الكترون در گذار بین دو تراز مختلف فوتونی جذب یا گسیل می‌كند كه انرژی آن برابر است با اختلاف انرژی بین دو تراز. برای اینكه این گذار به عنوان یك استاندارد اپتیكی فركانس مناسب باشد، حالت برانگیخته باید یك حالت شبه‌پایدار (با طول عمر زیاد) باشد، و طول موج فوتون متناظر با گذار هم باید برای لیزرهای پیوسته قابل دسترس باشد. فلز خاكی نادرایتربیم سهگذار بالقوه مناسب دارد: گذارهایی با طول موج‌های 411، 435، و 467 نانومتر. دوگذار اول قبلاً مشاهده شده‌اند، اما سومی تازه دیده شده است. در واقع علت اینكه این گذار تا به حال مشاهده نشده بود، پایداری فوق‌العاده حالت برانگیخته است، و همین است كه این گذار را جالب می‌كند. طول عمر حالت برانگیخته در حدود ده سال است. به این ترتیب، با توجه به اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، پهنای خط این گذار بسیار كم است، شاید كمتر از هر خط طیفیی كه تاكنون شناخته شده است (این گذار از نوع هشت قطبی است و به همین علت این قدر ضعیف است و حالت برانگیخته متناظر با آن تا این حد پایدار است).
مهمترین پارامتر تعیین كننده پایداری ساعت ضریب Q است. نسبت بسامد گذار به پهنای خط. این ضریب، اگر فقط پهنای ذاتی خط را در نظر بگیریم، برای گذار بالا بسیار زیاد است، اما در شرایط عادی جو عوامل دیگری هم در پهن شدن خط دخالت دارند، از جمله پهن شدگی دوپلری. این پهن شدگی را می‌توان با فرایند سرمایش لیزری حذف كرد. برای این كار از لیزری استفاده می‌شود كه طول موج آن كمی با گذار قوی nm369 یون ایتربیم اختلاف دارد، چنانكه یون فقط زمانی فوتون‌های لیزر را جذب می‌كند كه در حال حركت باشد. پس از آن اتم به حالت پایه برمی‌گردد و به طور میانگین فوتون‌هایی پرانرژی‌تر می‌گسیلد. به این ترتیب، انرژی ارتعاشی یون به تدریج از آن گرفته می‌شود. این كار آن‌قدر ادامه می‌یابد كه دمای یون به چند میلی‌كلوین برسد و یون در فضایی به ابعاد كمتر از طول موج لیزر به دام بیفتد. در این حالت می‌توان بسامد گذار ساعت را به دقت تعیین كرد.
برای این كار از لیزر دیگری استفاده می‌شود كه ناحیه اطراف گذار را می‌روبد. برای اینكه این كار در زمان معقولی شدنی باشد باید ناحیه مورد نظر نسبتاً باریك باشد. برای این كار بسامد دو گذار دیگر سنجیده می‌شود كه تفاضلشان برابر با بسامد گذار مورد نظر است. با این كار پهنای ناحیه‌ای كه باید به وسیله لیزر دوم روبیده شود از GHz6ر2 به MHz8 كاهش یافته است.
در عمل یون به طور متناوب تحت تأثیر لیزرهای nm369 و nm467 قرار می‌گیرد. لیزر اول یون‌ها را سرد می‌كند، سپس سیستم با لیزر nm467 روبیده می‌شود و دوباره عمل سرمایش انجام می‌شود. در یكی از مراحل روبش، بسامد لیزر روبنده با بسامد گذار ساعت برابر می‌شود و یون به حالت برانگیخته ساعت می‌رود. از اینجا به بعد لیزر سرمایش دیگر نمی‌تواند گذاری القا كند. به این ترتیب، مشكل این می‌شود كه یون چگونه باید به حالت پایه برگردد. یك راه این است كه ده سال صبر كنیم. این به وضوح غیر عملی است. پس، از لیزر سومی استفاده می‌شود كه یون را باز هم تحریك می‌كند و به حالتی می‌برد كه پایداری كمتری دارد. ی.ن از این حالت به سرعت به حالت پایه برمی‌گردد. در حال حاضر، به این روش می‌توان هر دقیقه دو بار عمل روبش را انجام داد، و بسامد گذار هم با خطای كمتر از یك مگاهرتز تعیین شده است. این خطا در حدود یك بر 109 است. این خطا هنوز باید كمتر شود، و تعداد دفعات گذار هم باید افزایش یابد.