Исследовательская группа из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработала атомные часы нового поколения, способные измерять время с беспрецедентной точностью до 19 знаков после запятой. Новая разработка превзошла предыдущий рекорд точности на 41% и является в 2,6 раза стабильнее любых других ионных часов.
Часы основаны на технологии захвата ионов алюминия, которые обладают исключительно стабильной высокочастотной «тикерной» частотой. Алюминиевые ионы менее чувствительны к внешним факторам, таким как температура и магнитные поля, по сравнению с цезием, используемым в современном определении секунды.
Для создания этих часов исследователи применили метод квантово-логической спектроскопии, объединив ион алюминия с ионом магния. Поскольку алюминий сложно исследовать и охлаждать напрямую, ион магния выполняет вспомогательную функцию: охлаждает ион алюминия и позволяет считывать состояние часов по своему движению.
Команда NIST внесла несколько ключевых технических усовершенствований. Ловушка для ионов была переработана с использованием более толстой алмазной пластины и модифицированного золотого покрытия на электродах для устранения электрического дисбаланса. Вакуумная камера была изготовлена из титана вместо стали, что снизило фоновое содержание газообразного водорода в 150 раз и позволило работать без перезарядки ловушки в течение нескольких дней вместо 30 минут.
Для повышения стабильности измерений исследователи использовали сверхстабильный лазер из лаборатории Джуна Йе в JILA (совместном институте NIST и Колорадского университета). Лазерный луч передавался по оптоволоконным кабелям на расстояние 3,6 километра к частотному гребню в лаборатории Тары Фортье, что позволило синхронизировать лазер для алюминиевых часов.
Благодаря этим усовершенствованиям время, необходимое для измерения с точностью до 19-го знака после запятой, сократилось с трех недель до полутора дней. Исследователи также смогли увеличить период изучения ионов с 150 миллисекунд до целой секунды.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters. Новые часы могут способствовать переопределению секунды на международном уровне и открывают возможности для изучения фундаментальных вопросов физики, включая проверку постоянства фундаментальных констант природы, а также применения в геодезии Земли и квантовых технологиях.
Источник:
Phys.org