Недавно физики представили публике самые точные часы в мире, чей уникальный дизайн основан на особой организации атомов стронция в трехмерном пространстве. Оказалось, что этот прибор пригодится не только для измерения времени, но и для поиска загадочной темной материи в глубинах космоса.
Ученые из лаборатории Boulder's JILA при Университете Колорадо разработали невероятно точные квантовые атомные часы, дизайн которых основан на уникальной трехмерной структуре. Проект буквально установил новую планку показателя качества (quality factor) — метрики, характеризующей точность измерений. Часы формируют атомы стронция в куб, что в 1000 раз плотнее предыдущей модели одномерных часов. Впервые дизайн позволяет ученым успешно использовать для этой цели так называемый «квантовый газ».
Самые точные часы в мире
Атомные часы (иначе квантовые, или молекулярные часы) — это прибор для измерения времени, в котором в качестве периодического процесса используются не кремниевый механизм, а колебания, происходящие на атомарном и молекулярном уровнях. К примеру, согласно международной системе СИ, 1 секунда равна 9 192 631 770 периодам электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Раньше каждый атом в атомных часах рассматривался как отдельная частица, и поэтому взаимодействия между атомами могли вызывать неточности в сделанных измерениях. Однако «квантовая система многих тел», используемая в новом проекте, организует атомы по определенному шаблону, что позволяет заблокировать их взаимодействие вне зависимости от того, какое число атомов ученые в итоге ввели в аппарат. Состояние материи, известное как вырожденный Ферми-газ (газ, состоящий из частиц Ферми), позволяет квантовать все атомы системы.
«Самый важный аспект потенциала квантовых газовых часов — это способность увеличивать количество атомов, что приводит к огромному приросту стабильности», поясняет физик физик Джун Йе из Национального института стандартов и технологий (NIST), который работал над проектом. По его словам, человечество вступает в «по-настоящему захватывающую эпоху, когда мы можем подвергать материю квантовой инженерии для измерения конкретных величин». Во время лабораторных испытаний погрешность составила 3,5 на 10 квинтиллионов — это первые атомные часы, которые достигли столь впечатляющей точности.
Томас О'Брайан, руководитель отдела квантовой физики NIST и руководитель проекта, заявляет, что «стронциевые часы, использующие квантовый газ, являются поразительным примером технологий «новой квантовой революции», которую иногда называют «квантом 2.0». Он также уверен, что подобный подход и развитие подобных технологий в будущем позволит использовать квантовые корреляции для широкого спектра измерений и даже для технологий, не имеющих отношения ко времени.
Время и пространство
Атомные часы, к примеру, отлично подходят для исследований, направленных на понимание темной материи. Исследователи уже высказывали предположение, что изучение незначительных погрешностей в работе атомных часов позволит отслеживать ни что иное, как «карманы» темной материи в пространстве. Предыдущие исследования показали, что система атомных часов и даже один такой высокочувствительный аппарат могут регистрировать изменение частоты вибрации атомов и лазерного излучения, если они пройдут через область с темной материей. Учитывая, что новый проект куда более стабилен и точен, чем его предшественники, возможно именно он поможет нам разгадать одну из самых интересных тайн Вселенной.