Физики из Сингапура разработали точные атомные часы на ионе лютеция
Физики из Сингапура создали оптические часы, в которых в качестве эталона используется один ион лютеция-176. Относительная неопределённость данной установки составляет порядка 10⁻¹⁹. Мюррей Барретт, руководитель группы, утверждает, что это самый точный атомный стандарт частоты в мире. Исследование опубликовано в журнале Nature, и систематическая погрешность оказалась ниже, чем у предыдущих оптических эталонов частоты. Установка была разработана в Центре квантовых технологий при Национальном университете Сингапура. Об этом сообщает ProGorodNSK.ru.
В отличие от традиционных маятников или кварцевых генераторов, здесь время отсчитывается по частоте перехода электрона между двумя энергетическими уровнями атома. Лазер настраивается точно под эту частоту, и колебания света служат эталоном. Современная секунда основана на переходе в цезии-133, тогда как оптические переходы имеют значительно более высокую частоту, что позволяет разбивать интервалы времени на более мелкие.
Существуют уже освоенные системы на основе стронция, иттербия и алюминия, однако сингапурские исследователи выбрали лютеций: в каждой установке используется один положительно заряженный ион лютеция-176, который удерживается с помощью электромагнитных полей, а опорой служит переход с длиной волны 848 нанометров. На частоту атомных часов влияют температура, магнитные поля и перемещение иона, и эти факторы необходимо учитывать. У лютеция влияние теплового излучения и магнитных полей оказалось особенно малым, а большая масса атома помогает уменьшить ошибки, связанные с движением иона. Обе установки функционировали без сложного магнитного экранирования и при обычной комнатной температуре.
Первая установка продемонстрировала суммарную систематическую неопределённость 1,2 × 10⁻¹⁹, вторая — 1,3 × 10⁻¹⁹, что соответствует уровню около 10⁻¹⁹. Это почти в четыре раза лучше предыдущей минимальной оценки для оптического стандарта частоты. Для подтверждения точности была построена вторая независимая установка, и частоты были сверены напрямую. Сверка длилась около 200 часов с использованием корреляционной спектроскопии, что позволило подавить шум общего лазера и сравнить атомные эталоны. Разница частот оказалась совместима с нулём, а статистическая неопределённость сравнения составила 5,7 × 10⁻¹⁹. Обычно оптические стандарты с погрешностью ниже 10⁻¹⁸ не проходили такую проверку.
На таком уровне начинает проявляться влияние гравитации. Согласно общей теории относительности, часы в более сильном гравитационном поле идут немного медленнее, поэтому даже небольшое изменение высоты может привести к заметному расхождению частот. Два иона находились на одном оптическом столе, но на разных высотах. Разницу в 3,97 миллиметра измерили и внесли поправку на гравитационное замедление времени; точности хватило, чтобы различить перепад высоты около 5 миллиметров. Это создает сложности при сверке лучших часов из разных лабораторий из-за недостаточно точного знания разницы гравитационного потенциала между точками на Земле. Поэтому команда планирует создать переносную версию установки, чтобы проводить сравнения со стандартами на стронции, иттербии и алюминии в разных лабораториях.
Точные часы необходимы не только для измерения времени. Такие устройства позволяют проверять общую теорию относительности, исследовать дрейф фундаментальных постоянных и искать следы моделей тёмной материи, а также фиксировать изменения гравитационного потенциала планеты. Лютеций рассматривается как возможный кандидат для определения секунды в будущем. Метрологи планируют отказаться от цезиевого стандарта, но выбор атома и перехода еще не определён, а пересмотр ожидается не ранее 2030 года. Новый результат укрепляет позиции лютеция, и авторы не исключают, что дальнейшие улучшения могут снизить погрешность до нескольких единиц 10⁻²⁰.
