Новаторские оптические атомные часы установили новый рекорд точности, изменив определение секунды. Атомные часы следующего поколения используют для работы лазерные частоты, и их «тиканье» примерно в 100 000 раз быстрее, чем микроволновые частоты, используемые сегодня в цезиевых часах — это текущий стандарт для определения секунд.
Хотя оптические часы все еще находятся в стадии оценки, было доказано, что некоторые часы в 100 раз точнее часов на основе цезия. Эта исключительная точность делает их будущей основой для определения единиц в Международной системе единиц (СИ).
Тестирование оптических часов.
Прежде чем оптические часы заменят цезиевые, они должны пройти тщательное тестирование и глобальные сравнения, чтобы подтвердить свою надежность. Федеральный институт физической технологии Германии (PTB) — ведущее в мире метрологическое учреждение, сыгравшее важную роль в продвижении этой технологии путем разработки различных типов оптических часов (включая одноионные часы и оптические решетчатые часы).
Недавно PTB продемонстрировала прорывную точность в новом типе оптических часов, называемых ion crystal clock. Это нововведение позволяет измерять время и частоту с точностью, в 1000 раз превышающей точность цезиевых часов, используемых в настоящее время для определения секунд в системе СИ. Точность новых часов проверяется путем сравнения с другими оптическими часами, и устанавливается новый эталон точности.
Принцип работы оптических часов.
В оптических атомных часах атомы облучаются лазером. Если лазер будет иметь правильную частоту, атом изменит свое квантово-механическое состояние. Для этого атомы должны быть защищены от любых внешних воздействий, а остальные воздействия должны быть точно измерены. Это очень эффективно для световых часов с заключенными в них ионами. Ионы могут быть захвачены электрическим полем и удерживаться в вакууме в пределах нескольких нанометров.
Благодаря этому превосходному контролю и изоляции мы можем очень близко подойти к идеальной невозмущенной квантовой системе. Таким образом, ионные часы достигли относительной системной неопределенности, отличной от 18 знаков после запятой. Такие часы, если бы они тикали с момента большого взрыва, потеряют в отставании не более одной секунды.
До сих пор эти часы работали с использованием отдельного тактового устройства. Его слабый сигнал должен измеряться в течение длительного времени — до двух недель, — чтобы измерить частоту с такой низкой неопределенностью. Для того чтобы полностью реализовать его потенциал, требуется более трех лет измерений.
Недавно разработанные часы значительно сократят время измерения за счет распараллеливания: несколько ионов (обычно разных типов ионов) будут улавливаться в ионной ловушке одновременно. Взаимодействуя, они образуют новую кристаллическую структуру. Кроме того, эта концепция позволяет комбинировать силу различных типов ионов. Мы используем ионы индия, потому что они обладают благоприятными характеристиками для достижения высокой точности. Для эффективного охлаждения в кристалл добавляются ионы иттербия.
Одна из задач заключается в разработке ионной ловушки, которая обеспечивает высокоточные условия для этого пространственно расширенного кристалла, а не только для одного иона. Другая задача заключается в разработке экспериментальных методов определения местоположения охлаждающих ионов в кристалле. Исследовательская группа смогла решить эти проблемы с помощью впечатляющей новой идеи: текущая точность часов близка к 18 знакам после запятой.
В сравнении участвовали две другие оптические системы часов PTB и система микроволновых часов: часы с одним ионом иттербия, часы с решеткой стронция и фонтанные часы с цезием. Отношение индиевых часов к иттербиевым является первым, достигающим общей неопределенности, и его общая неопределенность ниже предела, требуемого для таких сравнений, предусмотренного дорожной картой для переопределения вторых часов.
Заключение.
Ожидается, что эта концепция позволит запустить новое поколение высокостабильных и точных оптических ионных часов. Это также применимо к другим типам ионов и открывает новые возможности для совершенно новых концепций часов, таких как использование квантовых состояний из нескольких тел или каскадное исследование нескольких «ансамблей».
Спасибо, что дочитали до конца!
Ставьте лайки и подписывайтесь на канал, чтобы быть в курсе всех событий и расширить свои знания о нашей невероятной Вселенной! 🌌🚀