Самые точные в мире часы достигли точности в 19 знаков после запятой 

Фото из открытых источников

Появился новый рекордсмен по точности часов в мире. Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) усовершенствовали атомные часы на основе захваченного иона алюминия. Они относятся к последнему поколению оптических атомных часов и могут измерять время с точностью до 19 знаков после запятой. Результаты были опубликованы в Physical Review Letters.

Оптические часы обычно оцениваются по двум показателям: точности (насколько близко часы измеряют идеальное «истинное» время, что также известно как систематическая погрешность) и стабильности (насколько эффективно часы измеряют время, что связано со статистической погрешностью). Этот новый рекорд точности стал результатом 20 лет непрерывного совершенствования часов на алюминиево-ионном носителе.

Помимо лучшей в мире точности, на 41% превышающей предыдущий рекорд, эти новые часы также в 2,6 раза стабильнее любых других ионных часов. Достижение таких показателей потребовало тщательного усовершенствования каждого компонента часов, от лазера до ловушки и вакуумной камеры.

«Работать над самыми точными часами в истории невероятно увлекательно», — сказал соавтор исследования Мейсон Маршалл из NIST. «В NIST мы реализуем долгосрочные планы в области точных измерений, которые могут дать толчок развитию физики и нашему пониманию окружающего мира».

Ион алюминия создаёт исключительно хорошие часы с чрезвычайно стабильной, высокочастотной частотой тиканья. Его тиканье более стабильно, чем у цезия, который даёт современное научное определение секунды, заявил Дэвид Хьюм, физик из Национального института стандартов и технологий США, возглавляющий проект часов с использованием ионов алюминия. Кроме того, ион алюминия не так чувствителен к некоторым условиям окружающей среды, таким как температура и магнитные поля.

Но ион алюминия довольно робок, объяснил Маршалл. Алюминий сложно исследовать и охлаждать лазерами, а оба эти метода необходимы для атомных часов. Поэтому исследовательская группа объединила ион алюминия с магнием. Магний не обладает такими же прекрасными тикающими свойствами, как алюминий, но им можно легко управлять с помощью лазеров.

«Эта „система напарников“ для ионов называется квантовой логической спектроскопией», — пояснила Вилла Артур-Дворшак. Ион магния охлаждает ион алюминия, замедляя его. Он также движется в тандеме со своим алюминиевым партнёром, и состояние часов можно считывать по движению иона магния, что делает эти часы „квантовой логикой“.

«Даже при такой координации все еще необходимо было охарактеризовать целый ряд физических эффектов», — сказал Даниэль Родригес Кастильо. «Это большая и сложная задача, потому что каждая часть конструкции часов влияет на часы».

Одной из проблем была конструкция ловушки, в которой удерживаются ионы. Это вызывало их мельчайшие перемещения, называемые избыточными микродвижениями, которые снижали точность хода часов. Эти избыточные микродвижения сбивали частоту тиканья ионов. Электрические дисбалансы на противоположных сторонах ловушки создавали дополнительные поля, возмущающие ионы. Команда перепроектировала ловушку, разместив её на более толстой алмазной пластине и модифицировав золотое покрытие электродов, чтобы устранить дисбаланс электрического поля.

Они также увеличили толщину золотого покрытия, чтобы уменьшить сопротивление. Такое усовершенствование ловушки замедлило движение ионов и позволило им «тикать» без помех.

Вакуумная система, в которой должна работать ловушка, также вызывала проблемы. По словам Маршалла, водород диффундирует из стального корпуса типичной вакуумной камеры. Следы водорода сталкивались с ионами, нарушая ход часов. Это ограничивало продолжительность эксперимента до необходимости перезагрузки ионов. Команда перепроектировала вакуумную камеру и переделала её из титана, что снизило фоновый водород в 150 раз. Это позволило им обходиться без перезагрузки ловушки днями, а не каждые 30 минут.

Им требовался ещё один компонент: более стабильный лазер для зондирования ионов и подсчёта их импульсов. Версия часов 2019 года должна была работать неделями, чтобы усреднить квантовые флуктуации — временные случайные изменения энергетического состояния ионов, — вызванные лазером. Чтобы сократить это время, команда обратилась к Цзюнь Йе из NIST, чья лаборатория в JILA (совместном институте NIST и Университета Колорадо в Боулдере) располагает одним из самых стабильных лазеров в мире. Стронциевые решётчатые часы Йе, Strontium 1, ранее удерживали рекорд точности.

Это была командная работа. Используя оптоволоконные линии связи под улицей, группа Йе в JILA направила сверхстабильный лазерный луч на расстояние 3,6 километра к частотной гребенке в лаборатории Тары Фортье в NIST. Частотная гребенка, действующая как «линейка для света», позволила группе, работающей с алюминиевыми ионами, сравнить свой лазер с ультрастабильным лазером Йе. Этот процесс позволил лазеру лаборатории Йе передать свою стабильность алюминиевому часовому лазеру.

Благодаря этому усовершенствованию исследователи смогли измерять ионы в течение целой секунды по сравнению с их предыдущим рекордом в 150 миллисекунд. Это повышает стабильность часов, сокращая время, необходимое для измерения с точностью до 19-го знака после запятой, с трёх недель до полутора суток.

Благодаря этому новому рекорду часы на алюминиевых ионах вносят вклад в международные усилия по переосмыслению секундной стрелки, достигая гораздо большей точности, чем прежде, способствуя новым научным и технологическим достижениям. Эти усовершенствования также значительно расширяют возможности их использования в качестве испытательного стенда для квантовой логики, позволяя исследовать новые концепции квантовой физики и создавать инструменты, необходимые для квантовых технологий, что открывает захватывающие перспективы для всех, кто в этом участвует.

Что еще важнее, сократив время усреднения с недель до дней, эти часы могут стать инструментом для проведения новых измерений геодезии Земли и исследования физики за пределами Стандартной модели, например, возможности того, что фундаментальные константы природы не являются фиксированными значениями, а на самом деле изменяются.

«Благодаря этой платформе мы готовы исследовать новые архитектуры часов, такие как масштабирование числа ионов часов и даже их запутывание, что позволит нам еще больше улучшить возможности измерений», — сказал Артур-Дворшак.