Созданы самые точные часы в мире
Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) усовершенствовали свои атомные часы на основе захваченного иона алюминия. Прибор, относящийся к новому поколению оптических атомных часов, может измерять время с точностью до 19 знаков после запятой.
Оптические часы оцениваются по двум параметрам: точность (насколько близко часы измеряют «идеальное» время, также известное как систематическая неопределенность) и стабильность (насколько эффективно часы ведут отсчет, что связано со статистической неопределенностью). Новый рекорд точности стал результатом 20 лет непрерывного совершенствования часов на ионе алюминия.
Помимо рекордной точности, на 41% превышающей предыдущее достижения, новинка, описанная в журнале Physical Review Letters, также в 2,6 раза стабильнее любых других ионных часов. Достичь такого уровня удалось благодаря тщательной доработке каждой детали — от лазера до ловушки и вакуумной камеры.
«Работать над самыми точными часами в мире невероятно интересно. В NIST у нас есть возможность реализовывать долгосрочные проекты в области прецизионных измерений, которые продвигают физику и наше понимание мира», — доволен физик NIST Мейсон Маршалл, первый автор статьи.
Ион алюминия — идеальная основа для часов, поскольку он обладает чрезвычайно стабильной и высокой частотой «тиканья». По словам возглавляющего проект физика NIST Дэвида Хьюма, алюминий в роли «маятника» лучше цезия, лежащего в основе ныне действующего эталона секунды, к тому же он менее чувствителен к внешним условиям, таким как температура и магнитные поля.
Однако ион алюминия довольно «застенчив» — его сложно охлаждать и исследовать с помощью лазеров, что необходимо для работы атомных часов, добавляет Маршалл. Поэтому «помогает» ему ион магния. Магний не настолько идеален, как алюминий, но его легче контролировать лазерами.
«Эта система парных ионов называется квантовой логической спектроскопией. Ион магния охлаждает ион алюминия, замедляя его, а также движется синхронно с ним, и состояние часов можно считывать через движение иона магния», — говорит аспирантка проекта Уилла Артур-Дворшак.
Даже с такой координацией пришлось учесть множество физических эффектов, подчеркивает аспирант Даниэль Родригес Кастильо: «Это сложная задача, потому что каждая часть конструкции часов влияет на их работу».
Одной из сложностей была конструкция ловушки для ионов, вызывавшая их микродвижения, снижавшие точность часов. Электрический дисбаланс в ловушке создавал дополнительные поля, мешавшие ионам. Проблему решили, разместив ловушку на более толстой алмазной пластине и изменив золотое покрытие электродов.
Еще одной помехой стал водород, выделяющийся из стали стенок вакуумной камеры — он сталкивался с ионами, нарушая работу часов. Камеру изготовили из титана, что снизило уровень водорода в 150 раз — теперь ловушку можно не перезагружать несколько дней, а не каждые полчаса.
Но ключевым фактором стала стабильность лазера для исследования ионов. В предыдущей версии часов (2019 года) для усреднения квантовых флуктуаций требовались недели работы. Лазер новых часов отстроили по источнику Объединенного института лабораторной астрофизики JILA — одному из самых стабильных лазеров в мире, для чего его свет провели по подземной оптоволоконной линии длиной 3,6 км к частотной гребенке. Это значительно повысило стабильность системы: теперь ионы можно исследовать целую секунду (ранее — лишь 150 миллисекунд). Благодаря этому время, необходимое для измерений с точностью до 19-го знака, сократилось с трех недель до полутора дней.
Новый рекорд приближает международное сообщество к переопределению секунды с беспрецедентной точностью, что откроет новые научные и технологические возможности. Усовершенствования также делают часы мощной платформой для измерений геодезии Земли и квантовых исследований, включая проверку физики за пределами Стандартной модели — например, гипотезы об изменении фундаментальных констант природы.