В продолжающейся гонке за созданием следующего поколения сверхточных часов достигнута ещё одна важная веха. 14 июля Национальный институт стандартов и технологий (NIST) объявил, что их новые и усовершенствованные оптические атомные часы стали самыми точными в мире.
Устройство способно поддерживать точное измерение времени с точностью до 19 знаков после запятой. Это на 41% лучше предыдущего рекорда и в 2,6 раза стабильнее аналогичных ионных часов. Ключ к сверхточным измерениям — по словам NIST — «скромный» ион алюминия.
Что такое оптические атомные часы?
Оптические атомные часы — это довольно сложные устройства. Они предназначены для отслеживания вибраций отдельных ионов — атомов с чистым электрическим зарядом, полученным в результате приобретения или потери электронов.
Чтобы отследить вибрации ионов, атомы охлаждают почти до абсолютного нуля (−459,67 градуса по Фаренгейту), а затем измеряют с помощью лазеров, подсчитывающих их колебания. Определённое количество вибраций, известное как соотношение частот, служит эталоном для одной секунды.
В течение десятилетий эксперты полагались на цезиевые атомные часы как на наиболее точные измерители времени, но технологические достижения помогают внедрить новое устройство, основанное на более стабильных ионах алюминия.
Однако алюминий — непростой элемент. Его сложно измерять с помощью лазеров, а также охлаждать до абсолютного нуля. Но в сочетании с более контролируемыми атомами магния исследователи NIST обнаружили, что могут использовать сильные стороны алюминия, смягчая его слабые стороны.
«Эта „система приятелей“ для ионов называется квантовой логической спектроскопией», — объяснила соавтор исследования Вилла Артур-Дворшак в сопроводительном заявлении.
Ионная система «приятелей»
Найти лучшего «приятеля» для алюминия было не так просто. Пришлось учитывать и другие факторы, например, перепроектирование ловушки, удерживающей ионы на месте. Без ловушки малейшие движения, известные как избыточные микродвижения, ухудшали бы точность часов.
Предыдущая версия машины создавала нежелательные электрические дисбалансы, которые нарушали работу ионов. По словам команды, решение пришло в виде новой схемы ловушки с более толстой алмазной пластиной и модифицированными покрытыми золотом электродами.
Другие изменения включали улучшенную систему вакуумных камер, а также установку гораздо более стабильного измерительного лазера. В итоге лазерный луч длиной более двух миль позволил исследователям измерять вибрации ионов в течение целой секунды, в отличие от предыдущего рекорда в 150 миллисекунд.
Это сократило время, необходимое для измерения до 19-го знака после запятой — с трёх недель до полутора суток.
Стремление к перекалибровке секунды обусловлено не только стремлением к точности. Измерение времени с гораздо большей точностью может привести к новым научным и технологическим прорывам, а также помочь исследователям решить некоторые из важнейших вопросов квантовой физики и вычислений.
Для исследователя NIST и первого автора исследования Мейсона Маршалла последние достижения открывают захватывающие возможности: «Мы можем реализовать эти долгосрочные планы в области точных измерений, которые могут продвинуть физику и наше понимание окружающего мира».