Оптические атомные часы с точностью на 19 знаков после запятой благодаря 2-мильному лазеру: прорыв от NIST с улучшением на 41%

Введение

Гонка за созданием все более точных устройств для измерения времени достигла важной вехи: 14 июля Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) объявил о новом рекорде в точности оптических атомных часов. Новейшие часы превзошли все предыдущие аналоги по точности — они способны измерять временные интервалы с точностью до 19 знаков после запятой. Это достижение улучшает точность на 41% по сравнению с предыдущим рекордом, а стабильность увеличена в 2,6 раза относительно схожих ионных часов.

Ключевые детали

• Для преодоления сложностей измерения используется «система напарников» — ионы алюминия сопряжены с ионами магния.
• Лазерный луч длиной более 2 миль позволяет измерять вибрации ионов в течение целой секунды вместо 150 миллисекунд.
• Более длительное измерение сокращает время достижения точности до 19 знаков после запятой с трех недель до полутора суток.
• Переработанная ловушка для ионов с более толстой алмазной пластиной и позолоченными электродами снижает микродвижения, нарушающие точность.
• Улучшена вакуумная камера и установлен более стабильный измерительный лазер.

Предпосылки

Оптические атомные часы работают по принципу отслеживания вибраций ионов — атомов с электрическим зарядом, возникающим из-за потери или приобретения электронов. Ионы охлаждаются до температуры, близкой к абсолютному нулю (-459,67°F), чтобы минимизировать тепловой шум, после чего лазеры фиксируют частоту их вибраций. Именно эта частота служит эталоном для определения секунды.

Долгое время эталоном времени служили цезиевые атомные часы, но технологический прогресс открыл путь к использованию ионов алюминия, обладающих более стабильной частотой, но сложно измеряемых и охлаждаемых.

Для решения этой проблемы ученые из NIST применили метод квантовой логической спектроскопии, используя пару ионов — алюминия и более управляемого магния. Это позволяет косвенно измерять колебания алюминиевых ионов через наблюдение за магнием, сочетая лучшие качества обоих элементов.

Анализ влияния

Изменения в конструкции ловушки для ионов и усовершенствованная стратегия измерений значительно продвинули точность измерения времени и ускорили сам процесс. Увеличение времени измерения вибраций с 150 миллисекунд до секунды позволяет фиксировать мельчайшие колебания с более высокой точностью, что сокращает время для достижения точности до 19 знаков после запятой с трех недель до примерно 36 часов.

«Мы реализуем долгосрочные планы по точным измерениям, которые могут продвинуть физику и наше понимание окружающего мира», — отметил Мэйсон Маршал, ведущий автор исследования и сотрудник NIST.

Высокоточное измерение времени оказывает глубокое влияние за пределами просто точного хронометража. Оно расширяет возможности ученых тестировать фундаментальные физические теории, исследовать квантовую физику и создавать передовые квантовые вычислительные технологии. Улучшенные часы помогут оптимизировать системы глобального позиционирования, телекоммуникации и даже проведут новые эксперименты в фундаментальной физике, например, в обнаружении гравитационных волн или вариациях фундаментальных констант.

Широкий контекст

Оптические атомные часы являются передовым рубежом в метрологии — науке об измерениях. Их преимущество над микроволновыми цезиевыми часами заключается в более высокой рабочей частоте, что обеспечивает более точное измерение времени. Улучшение точности часового стандарта NIST на 41% — значительный шаг к пересмотру определения секунды, которая в настоящее время основана на переходах цезия.

Кроме того, двухмильный лазерный луч демонстрирует сложность экспериментов, необходимых для контроля квантовых явлений на таком уровне. Нужны ультрастабильные лазеры и оптимизированные ловушки для ионов, что подчеркивает взаимодействие прогресса в материаловедении, оптике и квантовых технологиях.

Перспективы

В будущем достижения NIST откроют новые возможности для пересмотра фундаментальных единиц времени с беспрецедентной точностью. Ученые ожидают дальнейших улучшений в конструкции ловушек, стабилизации лазеров и методах квантового контроля, что повысит точность и сократит время измерений, расширяя применение в науке и технологиях.

По мере повышения точности часов они станут ключевыми элементами для навигации, защищенной связи и проверки фундаментальных физических законов, например, изучения возможных вариаций физических констант или поиска следов темной материи посредством точных частотных измерений.

Заключение

Разработка NIST самых точных в мире оптических атомных часов — важный этап в развитии точных измерений. Сочетание квантовой логической спектроскопии алюминиево-магниевой пары и двухмильного лазерного луча с усовершенствованными ловушками для ионов позволило установить новый стандарт с улучшением точности на 41% и значительным повышением стабильности. Этот прорыв не только улучшает технологии хронометража, но и обещает множество научных и технологических инноваций в ближайшие годы.