Американские ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) создали самые точные в мире атомные часы, которые используют ион алюминия. Это устройство способно измерять время с невероятной точностью — до 19 знаков после запятой. Исследование, подтверждающее этот успех, опубликовано в журнале Physical Review Letters (PRL).
Современные оптические часы оценивают по двум ключевым характеристикам: точности, которая отражает близость к эталонному времени, и стабильности, показывающей равномерность хода. Новая разработка превзошла предыдущие достижения: она на 41% точнее и в 2,6 раза стабильнее. Эти результаты стали возможны благодаря 20 годам работы по совершенствованию компонентов, включая лазеры и вакуумные камеры.
Основой для новых часов стал ион алюминия, известный своей исключительной стабильностью частоты. «По сравнению с традиционным цезием, который служит международным эталоном времени, алюминий менее подвержен влиянию внешних факторов, таких как температура и магнитные поля», — отметил Дэвид Хьюм, один из руководителей проекта.
Однако использование алюминия оказалось сложной задачей из-за трудностей с его охлаждением и взаимодействием с лазером. Чтобы преодолеть это, в систему добавили ион магния, который легче контролировать и который помогает охлаждать алюминий, а также передавать данные о его состоянии. Эта конфигурация основана на методе, известном как квантовая логическая спектроскопия.
«Магний и алюминий движутся синхронно, и мы можем использовать магний для считывания поведения алюминия», — объясняет аспирантка Уилла Артур-Дворшак.
Для достижения такой точности ученые устранили множество физических помех. Например, ионы слегка колебались внутри ловушки из-за микроскопических электрических дисбалансов, что сказывалось на точности. Этот вопрос решили путем переработки покрытия электродов и укрепления основания ловушки при помощи алмазной пластины.
Другой сложностью стал водород, выделяющийся из стальных стенок вакуумной камеры, который мешал работе часов. Ученые заменили сталь на титан, что позволило снизить уровень водорода в 150 раз. В результате ловушка может функционировать несколько дней подряд, тогда как раньше ее приходилось перезагружать каждые полчаса.
«Работа над этими часами — невероятно увлекательное занятие. Мы находимся на переднем крае фундаментальной физики», — говорит ведущий автор исследования, физик NIST Мейсон Маршалл.
Ранее была разработана квантовая батарея, отличающаяся рекордной скоростью зарядки.