Стремление к точности измерения времени всегда было движущей силой многочисленных научных прорывов. Недавнее исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, раскрывает оптические решетчатые часы (разновидность сверхточных атомных часов) с непревзойденной точностью, что открывает путь к возможному переопределению секунды. Последствия этого достижения затрагивают как фундаментальную физику, так и различные практические области с возможными технологическими и промышленными применениями.
Чтобы полностью понять масштабы этого нового исследования, давайте углубимся в сложные детали одномерных часов с оптической решеткой, разработанных в рамках исследования. Во-первых, авторы тщательно разработали систему, в которой атомы заключены в одномерную оптическую решетку, образованную в вертикальной вакуумной полости (выровненной гравитацией). Эта конфигурация позволяет точно манипулировать и измерять состояния атомов, что является важным фактором в достижении высокой точности измерения времени.
Цикл Раби — ключ к точности измерения времени?
В основе работы этих часов с оптической решеткой лежит спектроскопия Раби. Помещая атомы в определенные квантовые состояния и стимулируя переходы на более высокие энергетические уровни, исследователи могут измерять долю атомного возбуждения с поразительной точностью. В частности, в исследовании выделен переход часов, который на сегодняшний день наименее чувствителен к магнетизму, что сводит к минимуму внешние помехи, которые в противном случае могли бы исказить результаты.
Контроль и измерение температуры также являются ключом к этому прорыву. Исследовательская группа под руководством Александра Эппли установила температурный зонд, оснащенный двумя датчиками, чтобы отслеживать температуру в месте расположения атома. Такое особое внимание к термостабильности очень важно, поскольку даже небольшие колебания могут сильно повлиять на точность часов.
В также рассматривается технический аспект, который исследователи назвали «осевыми синими боковыми полосами» (BSB). Это явление вызвано тем, как устроена оптическая решетка. Представьте себе, что атомы похожи на шарики, помещенные в световую решетку. Иногда эти шарики могут перескакивать из одного положения в другое на решетке, и эти переходы называются переходами Ванье-Штарка (WS).
Эти переходы очень важны, так как позволяют часам сохранять свою точность. Исследователи разработали математические модели, чтобы понять, как происходят эти переходы, принимая во внимание такие факторы, как структура световой решетки и температура. В результате им удалось получить четкое представление о том, как работает их система. Проще говоря, изучив, как атомы перемещаются и меняют положение в решетке, исследователи смогли обеспечить точную и надежную работу часов.
Одним из наиболее примечательных аспектов этого исследования является точность, достигнутая при измерении переходов часов. Чтобы полностью понять этот момент, сначала нужно разобраться, что именно представляет собой спектроскопия Раби. Раби-спектроскопия — это метод, используемый для изучения переходов между различными энергетическими уровнями атомов с помощью колеблющегося электромагнитного поля. В данном исследовании ученые использовали этот метод для измерения переходов атомов в оптической решетке часов.
Они прикладывали электромагнитное поле в течение 2,43 секунды, чтобы возбудить атомы и наблюдать за их энергетическими переходами. Затем они подогнали эти данные под математическую модель, следуя циклу Раби, чтобы проверить точность измерений. Другими словами, этот метод позволил им с высокой точностью определить, когда и как часто атомы меняют энергетические уровни.
Таким образом, общая систематическая погрешность оптических решеточных часов, использованных в исследовании, составила 8,1×10-19 единиц дробной частоты, что является самой низкой погрешностью, когда-либо достигнутой для любых часов. Это представляет собой исключительный уровень точности в измерении времени, что может иметь серьезные последствия для фундаментальной физики и технологий, основанных на этих измерениях.
Широкие возможности применения, но впереди длинный туннель...
В фундаментальной физике часы с оптической решеткой могут предоставить точные данные о природе времени и пространства, потенциально раскрывая ранее неизвестные аспекты механизмов, управляющих Вселенной. С практической точки зрения эти часы могут улучшить различные технологии, зависящие от точного измерения времени, от систем глобального позиционирования (GPS) до телекоммуникаций и не только.
Однако путь к такому прогрессу полон ловушек. Исследование подчеркивает важность тщательного планирования эксперимента и необходимость постоянного совершенствования методов. Поскольку исследователи в настоящее время расширяют теоретические границы, им также приходится ориентироваться в сложном ландшафте переменных, которые могут повлиять на результат, когда концепция будет применена к существующим технологиям.
Более того, со временем этот прогресс может даже изменить определение секунды. В настоящее время секунда определяется с помощью очень точных атомных часов, но часы на оптической решетке (хотя они тоже атомные) могут быть еще более точными для этой задачи. Если привести простое сравнение, то это все равно что использовать еще более точную линейку для измерения времени. Представьте себе, что до сих пор мы измеряли время с помощью линейки, градуированной в миллиметрах. С новыми часами это будет почти как с линейкой, градуированной в микрометрах, — гораздо тоньше и точнее.