Ученые из Университета Торонто (Канада) представили уникальные оптические атомные часы, охлаждаемые до температуры всего в пять градусов выше абсолютного нуля ( −268 °C). Результаты исследования, опубликованные в журналах Physical Review Letters и Science Bulletin, обещают резкое повышение точности измерений времени по сравнению с существующими системами.
Команда разработала криогенные одноионные часы, использующие один атом стронция для стабилизации лазера. Такие часы в сотни раз точнее стандартных атомных устройств, применяемых сегодня для определения длительности секунды. Профессор Амар Вута отметил:
«Точные измерения времени и частоты лежат в основе всей нашей системы физических единиц. Повышение точности часов укрепляет фундамент для каждого физического измерения».
Как работает атомный камертон
Все часы основаны на повторяющемся, стабильном событии. В маятниковых или кварцевых часах это колебания механических или электрических систем, в атомных — переходы электрона между уровнями энергии. В криогенных одноионных часах «тиканье» задает атом стронция. Лазер стабилизируется атомом, который выполняет роль сверхточного камертонного ориентира.
Ранее для этого использовались микроволны, затем лазеры видимого света, каждый новый шаг повышал стабильность измерений. Современные оптические часы обеспечивают точность до 18 знаков после запятой, что сравнимо с измерением расстояния от Земли до Луны с точностью до миллионной миллиметра.
Проблема нагрева и ее решение
Даже в этих точных системах атомы подвержены возмущениям от тепла окружающих объектов, включая вакуумные камеры и металлические элементы.
«Нагрев разрушает стабильность атомного камертонного сигнала, и часы начинают дрейфовать», — объяснил Вута.
Команда Университета Торонто снизила температуру захваченного атома стронция до 5 Кельвинов, что почти устраняет тепловое воздействие.
В этой криогенной среде атом остается точным эталоном, а лазер поддерживается в стабильном состоянии, значительно повышая надежность измерений.
Применение сверхточных часов
Сверхточные атомные часы важны не только для физики времени. Электрические стандарты, такие как ампер и вольт, зависят от точных временных измерений.
«Чтобы определить силу тока — ампер — нужно точно измерить число электронов, проходящих через проводник за определённый интервал времени», — пояснил Вута.
Кроме того, эти часы открывают новые возможности для фундаментальной науки. Они позволяют проверять стабильность основных констант природы, включая скорость света и постоянную Планка.
«Другого способа проверить фундаментальные законы физики с такой точностью просто нет», — добавил профессор.
Прорыв в экспериментах и технологиях
По словам ученых разработка одноионных криогенных часов представляет собой качественный скачок в метрологии. Она открывает новые горизонты для навигации, телекоммуникаций и научных измерений. Технология может также быть основой для будущих экспериментов в гравитации, квантовой механике и проверке теорий времени и пространства.
Использование охлаждения до экстремально низких температур минимизирует шум и дрейф частоты, что делает эти часы самым точным инструментом человечества для измерения временных интервалов.
«Это не просто улучшение старых часов — это новый уровень понимания времени и его точного измерения», — подчеркивает Вут.
Считывание показаний квантовых часов требует гораздо больше энергии, чем их работа
Самые точные часы отправили на орбиту проверить Теорию относительности Эйнштейна
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram