Ученые создали оптические атомные часы, которые точнее всех предыдущих устройств для измерения времени. Погрешность этих приборов составляет меньше одной секунды за 30 млрд лет — это вдвое больше возраста Вселенной. Такая точность открывает путь к переопределению секунды в Международной системе единиц, которая сейчас основана на цезиевых атомных часах (собственно, название происходит от атомов цезия, вязкого щелочного металла серебристо-желтого цвета).
Новые системы работают по принципу измерения колебаний света при переходе электронов между энергетическими уровнями в атомах. Частота этих колебаний в сотни тысяч раз выше, чем зарегистрировано в микроволновых цезиевых стандартах, благодаря чему измерения становятся намного точнее. Точность настолько высокая, что ошибка составляет меньше одной миллиардной миллиардной доли.
Разработчики используют два основных типа конструкций. Первый — установки на захваченных ионах, где единственный заряженный атом удерживается электромагнитным полем в вакууме. Второй — оптические решетки с нейтральными атомами, где тысячи частиц одновременно фиксируют время в ловушках из лазерного света. Ионные варианты точнее, зато решетки стабильнее благодаря большому числу частиц.
Для работы таких приборов нужны сверхстабильные лазеры с шириной линии менее 1 Гц и система охлаждения атомов, которая поддерживает температуру почти до абсолютного нуля. Специальные оптические гребенки частот преобразуют световые колебания в радиосигналы, которые можно подсчитать обычной электроникой. Атомы охлаждают до температуры в 109 К лазерным излучением, замедляя их движение до нескольких см/с. Затем частицы загоняют в ловушки — ионные или оптические решетки с расстоянием между узлами около 500 нм. Опорный лазер стабилизируют высокодобротным резонатором Фабри-Перо длиной до 50 см, который помещают в вакуум и термостат. Вся установка занимает примерно объем холодильника.
Главная проблема, которую до сих пор видели перед собой исследователи, — влияние теплового излучения окружающих предметов, оно сдвигает частоту перехода. Для стронция и иттербия эта поправка достигает нескольких герц, что провоцирует погрешность на уровне 10⁻¹⁵. Поэтому самые точные системы работают при криогенных температурах 124 К для кремниевых резонаторов или 10 К для сапфировых.
Сейчас оптические приборы уже помогают корректировать международное атомное время. Одиннадцать таких систем официально признаны вторичными эталонами частоты. Большинство работают на атомах Sr или Yb. В ближайшие годы планируется окончательно перейти от Cs к оптическим стандартам.
Помимо точного времени, эти устройства позволяют проверять теорию относительности Эйнштейна, искать темную материю и измерять гравитационное поле Земли. Разница в показаниях на разной высоте помогает определять перепады высот с точностью до мм. Исследователи уже провели такой эксперимент на телебашне Tokyo Skytree высотой 634 м.
Компактные версии разрабатывают для использования в навигации, когда сигнал GPS недоступен. Первые образцы размером с чемодан порадовали. Планируется установка таких конструкций на спутники и МКС в рамках миссии ACES.
Ранее мы писали о том, что ядерные часы научились создавать на основе тория.