Физики из Национального университета Сингапура создали самые точные атомные часы в мире на основе единичного иона лютеция-176.
Физики из Сингапура создали самые точные часы в мире
Исследователи из Центра квантовых технологий при Национальном университете Сингапура (NUS) разработали оптические атомные часы, которые в четыре раза превосходят предыдущий рекорд точности, принадлежавший системе на ионах кальция. Относительная неопределенность частоты новой установки составляет примерно 1 × 10⁻¹⁹. Прибор измеряет время с точностью до 19-го знака после запятой, что делает его самым совершенным хронометром из когда-либо созданных.
Ученые пояснили, что для накопления ошибки всего в одну секунду этому устройству потребовалось бы более 260 миллиардов лет.
Руководитель исследовательской группы Мюррей Барретт охарактеризовал разработку предельно прямо, отметив в интервью Live Science, что наша задача — сделать так, чтобы бегун смог преодолеть всю дистанцию, а лютеций, как выясняется, является прирожденным атлетом-стайером.
Барретт также выразил уверенность в том, что в обозримом будущем создать более совершенное устройство вряд ли удастся. Точность этого прибора позволяет регистрировать изменения гравитационного притяжения Земли с высокой степенью детализации. Такие оптические стандарты также создают базу для поиска темной материи. Специалисты предполагают, что фундаментальные константы могут со временем меняться, и сверхточные устройства предоставляют необходимые инструменты для проверки этой гипотезы. Кроме того, лютециевые часы способны функционировать в самых разных условиях, оставаясь стабильными при переходе от жарких климатических зон к суровым морозам антарктического плато.
Редкий металл помогает подавить внешние помехи
Традиционные стандарты времени опираются на изотопы цезия-133, излучение которых лежит в основе международного определения секунды с 1967 года. Однако современные оптические системы используют лазеры, настроенные на электронные переходы с гораздо более высокой частотой. Среди возможных элементов исследователи выбрали редкий металл лютеций.
По словам ведущего автора работы Кайла Арнольда, физика из NUS, по сравнению со стронцием и иттербием лютеций-176 демонстрирует гораздо меньшую чувствительность к магнитным полям и температурным колебаниям. Сингапурская лаборатория больше десяти лет изучала этот элемент и применила специальный метод усреднения сверхтонкой структуры, который нейтрализует внешние помехи.
Кайл Арнольд выразил надежду в беседе с изданием Nature: «Я думаю, что лютею будет отвеведена ведущая роль в точном измерении времени в будущем, и я надеюсь, что это поможет шире оценить его преимущества для оптических часов».
Как сообщает Samaraonline24, обе независимые установки работали при обычной комнатной температуре и не требовали сложного магнитного экранирования. Большая масса атома лютеция дополнительно снижает погрешности, вызванные движением иона в ловушке.
Ученые провели прямую сверку двух независимых систем
Чтобы подтвердить расчетные показатели, физики создали вторую идентичную установку и провели беспрецедентное по точности прямое сравнение. Эксперимент длился около 200 часов с использованием корреляционной спектроскопии для подавления общего лазерного шума.
Результаты показали, что частоты двух часов совпали с неопределенностью 5,7 × 10⁻¹⁹. Мюррей Барретт подчеркнул принципиальную важность этого этапа, заявив изданию Nature: «Если у вас всего одни часы — как вы узнаете, что они точны?»
На столь экстремальном уровне точности приборы начинают фиксировать эффекты общей теории относительности. По данным портала iTCrumbs.ru, даже минимальная разница в высоте размещения ионов на оптическом столе приводит к измеримому расхождению частот из-за разницы в гравитационном поле Земли.
Новые стандарты откроют перспективы для науки
Международное бюро мер и весов (BIPM) планирует в 2030 году переопределить секунду на основе современных оптических стандартов вместо микроволновых цезиевых часов. Рекордсмен из Сингапура рассматривается как главный претендент на роль нового эталона.
Помимо метрологии, сверхточные приборы открывают принципиально новые возможности для фундаментальной науки. Исследователи отмечают, что стабильность лютециевых часов позволит проверять постоянство фундаментальных физических констант во времени и фиксировать малейшие изменения гравитационного поля Земли для геодезии и мониторинга поверхности планеты. Предыдущая система на ионах кальция удерживала рекорд точности с относительной неопределенностью частоты, которую сингапурская установка превзошла в четыре раза.
Читайте также
