Ошибка в секунду за 300 миллиардов лет: в Сингапуре представили рекордные по точности атомные часы

Физики из Центра квантовых технологий (CQT) при Национальном университете Сингапура сообщили о завершении разработки лютециевых оптических атомных часах с рекордно низкой неопределённостью. Такие приборы применяют для проверки фундаментальной физики и наблюдения за изменениями гравитации на Земле, а также рассматривают как основу для нового определения секунды. По словам главы научной группы и доцента Национального университета Сингапура Мюррея Барретта, разработанное ими устройство сегодня можно по праву считать самым точным хронометром на планете. Результаты работы представлены в журнале Nature 23 сентября.

Принцип действия оптических часов основан на лазерном излучении: лазер настраивают на точнейшую частоту, при которой электроны в атомах «перепрыгивают» на соседний энергетический уровень, задавая эталонный ритм хода времени. Частота перехода — неизменное свойство атома: к ней подстраивают лазер, и колебания света работают как маятник. С 1960-х годов стандартом остаётся цезий: на таких часах держатся GPS и синхронизация сетей связи. Недавние рекордсмены — иттербий, стронций и алюминий — колеблются быстрее цезия и в перспективе могут повысить точность. Пересмотр определения секунды с учётом оптических часов ожидается в 2030 году или позже.

Команда Барретта измерила частоту новых часов с точностью до 19 знаков после запятой и заявила неопределённость 1x10⁻¹⁹ — наименьшую среди существующих оптических часов. Затем учёные собрали двое одинаковых часов и 200 часов сравнивали их ход методом корреляционной спектроскопии. Погрешность между двумя независимыми приборами не превысила 5,7x10⁻¹⁹. Как заявляют авторы разработки, на текущий момент это самое точное сопоставление хронометров в истории науки. Пересчёт заявленной неопределённости даёт ошибку порядка одной секунды за 300 миллиардов лет.

Уникальность лютеция объясняется архитектурой его атома: частота его ключевого перехода фактически «слепа» к изменениям температуры и магнитным полям, тогда как у других рабочих веществ эти факторы вызывают микросдвиги и снижают точность измерений. Каждые часы содержат один ион 176Lu⁺, переход которого настроен на лазер с длиной волны 848 нанометров. Группа ученых работает с лютецием больше десяти лет и, по её сведениям, единственная в мире использует его для измерения времени.

Сравнить лютециевые часы с лучшими часами других лабораторий пока нельзя: на уровне 10⁻¹⁹ приборы регистрируют замедление времени из-за гравитации при разнице высот в миллиметры, а различия гравитации между точками Земли известны недостаточно точно. Следующий шаг — переносная версия, которую, как ожидают исследователи, удастся сделать без потери точности.

Источник: nus.edu.sg