Физики из Сингапура разработали самые точные атомные часы на ионе лютеция
Физики из Сингапура создали оптические часы, в которых в качестве эталона используется единственный ион лютеция-176. Относительная неопределённость данной установки составляет примерно 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 сайт ProGorodNSK.ru.
В отличие от привычных маятников или кварцевых генераторов, здесь время отсчитывается по частоте перехода электрона между двумя энергетическими уровнями атома. Лазер точно настраивается на эту частоту, а колебания света служат эталоном. Современная секунда привязана к переходу в цезии-133, тогда как у оптических переходов частота значительно выше, что позволяет дробить интервалы времени мельче. Хотя стронций, иттербий и алюминий уже использовались в подобных системах, сингапурские исследователи выбрали лютеций: в каждой установке находится один положительно заряженный ион лютеция-176, удерживаемый электромагнитными полями, с опорным переходом длиной волны 848 нанометров.
На частоту атомных часов влияют температура, магнитные поля и перемещение иона, что требует учета этих эффектов. У лютеция влияние теплового излучения окружающих объектов и полей оказалось особенно малым, а большая масса атома снижает ошибки от движения иона. Обе установки функционировали без сложного магнитного экранирования и работали при обычной комнатной температуре.
Первая установка показала 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 опубликованной оценки для оптического стандарта частоты. Для подтверждения результатов была построена вторая независимая установка, и частоты были сверены напрямую. Сверка длилась около 200 часов с использованием корреляционной спектроскопии, которая подавляет шум общего лазера и позволяет сопоставлять атомные эталоны. Разница между частотами 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 небольшая разница в высоте приводит к измеримому расхождению частот. Два иона находились на одном оптическом столе, но на разной высоте. Разницу в 3,97 миллиметра измерили и внесли поправку на гравитационное замедление времени; точности хватило, чтобы различить перепад высоты примерно в 5 миллиметров. Это создает сложности при сверке лучших часов из разных лабораторий, поскольку недостаточно точно известно различие гравитационного потенциала между точками на Земле. В связи с этим команда планирует создать переносную версию установки для сравнения со стандартами на стронции, иттербии и алюминии на месте.
Точное время необходимо не только для его измерения. Такие устройства позволяют проверять общую теорию относительности, исследовать дрейф фундаментальных постоянных и искать следы отдельных моделей тёмной материи, а также фиксировать изменения гравитационного потенциала планеты. Лютеций рассматривается как кандидат для будущего определения секунды. Метрологи готовятся отказаться от цезиевого стандарта, но выбор атома и перехода пока 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.
