Учёные создали самые точные атомные часы в мире на одном ионе лютеция
Физики из Национального университета Сингапура создали оптические атомные часы на ионах лютеция с рекордно низкой относительной неопределённостью порядка 10⁻¹⁹. Это означает, что возможная систематическая ошибка частоты составляет примерно одну десятимиллиардную миллиардной доли измеряемого значения. Исследователи также построили вторые независимые часы и показали, что две установки согласуются между собой с точностью 5,7 × 10⁻¹⁹.
Разработка создана в Центре квантовых технологий при Национальном университете Сингапура. Руководитель группы Мюррей Барретт называет её самыми точными атомными часами в мире, а опубликованная в Nature оценка систематической неопределённости действительно оказалась ниже, чем у ранее представленных оптических стандартов частоты.
Атомные часы измеряют время не с помощью механического маятника или кварцевого генератора, а используя чрезвычайно стабильную частоту перехода электрона между двумя энергетическими состояниями атома. Лазер настраивается точно на эту частоту, а колебания света становятся своеобразным эталонным «маятником».
Современное определение секунды основано на переходе в атоме цезия-133. Однако оптические часы используют переходы с намного более высокой частотой, что позволяет делить секунду на гораздо более мелкие интервалы и значительно точнее измерять время. Среди наиболее перспективных систем уже используются стронций, иттербий и алюминий.
Сингапурская группа выбрала другой элемент — лютеций. В каждой из двух созданных установок находится всего один положительно заряженный ион изотопа лютеция-176. Его удерживают электромагнитными полями, а в качестве основного эталона используют оптический переход с длиной волны 848 нанометров.
Главное преимущество лютеция заключается в чрезвычайно слабой чувствительности этого перехода к внешним воздействиям. Температура, магнитные поля и движение самого иона способны немного изменять измеряемую частоту любых атомных часов, поэтому подобные эффекты приходится тщательно учитывать.
Для перехода в лютеции влияние теплового излучения окружающих предметов и магнитного поля оказалось особенно небольшим. Большая атомная масса также уменьшает ошибки, связанные с движением захваченного иона. Благодаря этому обе экспериментальные установки смогли работать при обычной комнатной температуре без особенно сложного магнитного экранирования.
Для первых часов исследователи получили суммарную систематическую неопределённость 1,2 × 10⁻¹⁹, для вторых — 1,3 × 10⁻¹⁹. Авторы характеризуют достигнутый уровень как приблизительно 10⁻¹⁹ — примерно в четыре раза лучше предыдущей минимальной опубликованной оценки для оптического стандарта частоты.
Но одной расчётной оценки недостаточно. Чтобы убедиться, что часы действительно работают настолько точно, исследователи создали две независимые установки и непосредственно сравнили их частоты.
Сравнение продолжалось около 200 часов. Для него использовали корреляционную спектроскопию — метод, позволяющий подавить шум общего лазера и сравнивать непосредственно атомные эталоны. Разница между частотами двух часов оказалась совместима с нулём, а статистическая неопределённость сравнения составила 5,7 × 10⁻¹⁹.
Это особенно важно для сверхточных часов. Можно рассчитать все известные источники ошибки одной установки, но независимые часы позволяют экспериментально проверить, воспроизводится ли частота на заявленном уровне. Авторы подчёркивают, что предыдущие оптические стандарты с неопределённостью ниже 10⁻¹⁸ редко имели настолько точную проверку второй системой того же типа.
Точность достигла уровня, при котором становится заметным влияние гравитации даже на расстояниях в несколько миллиметров. Согласно общей теории относительности, часы в более сильном гравитационном поле идут немного медленнее. Поэтому даже небольшая разница в высоте между двумя атомными часами вызывает измеримое расхождение их частот.
В эксперименте два иона находились на одном оптическом столе, но на разных высотах. Исследователи измерили разницу примерно в 3,97 миллиметра и внесли соответствующую поправку на гравитационное замедление времени. Точность сравнения была достаточной, чтобы различить изменение высоты примерно на 5 миллиметров.
Такая чувствительность одновременно создаёт проблему для сравнения лучших часов, расположенных в разных лабораториях. На уровне 10⁻¹⁹ необходимо исключительно точно знать разницу гравитационного потенциала между двумя точками Земли. Современные геодезические методы пока не всегда позволяют определить её достаточно хорошо.
Именно поэтому команда планирует создать переносную версию лютециевых часов. Её можно будет доставлять в другие лаборатории и сравнивать с оптическими часами на стронции, иттербии, алюминии и других элементах непосредственно в одном месте.
Сверхточные часы могут использоваться не только для измерения времени. С их помощью можно проверять общую теорию относительности, искать возможные изменения фундаментальных физических постоянных и проверять некоторые модели тёмной материи. Различия в ходе часов позволяют также измерять изменения гравитационного потенциала Земли, превращая их в необычайно чувствительные геодезические приборы.
Лютециевая система рассматривается и как один из возможных кандидатов для будущего нового определения секунды. Международное метрологическое сообщество готовится перейти от нынешнего цезиевого стандарта к оптическим часам, однако окончательный выбор атома и перехода пока не сделан. Пересмотр определения секунды ожидается не раньше 2030 года.
Новый результат усиливает позиции лютеция в этом соревновании. Помимо рекордно низкой систематической неопределённости, его оптический переход имеет чрезвычайно долго живущее возбуждённое состояние и сравнительно слабую чувствительность к внешней среде. Авторы считают, что дальнейшее улучшение измерений может опустить неопределённость существующих установок ещё ниже — в область нескольких единиц 10⁻²⁰.
Исследование в журнале Nature.