Трехмерные оптические решетки увеличили точность атомных часов
Точность атомных часов удалось увеличить примерно на порядок за счет подавления межатомных взаимодействий при создании трехмерной решетки. Ученые из Национального института стандартов и технологий США (NIST) продемонстрировали это на плотной трехмерной решетке, составленной из 3 тысяч атомов стронция. Работа опубликована в Science.
Атомные часы являются наиболее точным на данный момент прибором для измерения времени. Их действие основано на измерении периодических сигналов при электронных переходах между двумя энергетическими уровнями, образованными в результате сверхтонкого расщепления. Еще в 1967 году атомные часы на основе изотопа цезия-133 стали использовать в качестве стандарта времени. Сейчас эталон секунды определяется как время 9 192 631 770 электронных переходов в атоме цезия. Точность работы атомных часов определяется отношением отклонения частоты перехода за определенный промежуток времени к самой частоте, и последние годы ее удается постоянно увеличивать. Это происходило за счет снижения фонового излучения при уменьшении температуры, использования атомных фонтанов или замены цезия на иттербий. К настоящему моменту максимальная точность атомных часов составляет около 10-17, что означает накопление ошибки в одну секунду за несколько сот миллионов лет.
В своем новом исследовании ученые из США предложили использовать для атомных часов трехмерную решетку из атомов стронция, частота электронных переходов в котором на несколько порядков больше, чем в цезии. С помощью систем лазерного охлаждения ученые смогли создать плотную трехмерную решетку из нескольких тысяч атомов, в которой положение каждого атома было строго зафиксировано. Это позволило ученым точно контролировать взаимодействие между атомами.
Количество атомов, которые раньше использовались в атомных часах, состоящих из одномерных решеток, определялось балансом между устойчивостью работы часов (она повышается при увеличении количества атомов) и точностью (она падает из-за большого количества межатомных взаимодействий). В отличие от одномерной, трехмерная решетка большой плотности позволяет получить вырожденный ферми-газ, который образуется, если тождественные частицы находятся на расстоянии меньше их длины волны де Бройля друг от друга. Это приводит к снижению влияния межатомных взаимодействий и позволяет уменьшить систематическую ошибку атомных часов.
Оценив дисперсию Аллана для частоты переходов в созданных решетках из разного количества атомов стронция, ученым удалось показать, что увеличение числа атомов в решетке приводит к заметному увеличению точности часов. Для максимального числа атомов удалось добиться того, что из 10 квинтиллионов (это 1019) «тиков» таких стронциевых часов только 3 с половиной были не синхронизированы. Это привело к тому, что систематическую ошибку удалось снизить до уровня ниже, чем 10-18.
Недавно ученые показали, что максимальная точность квантовых часов может определяться не только их инструментальной реализацией, но ограничиваться термодинамическими принципами.
Александр Дубов
Это поможет добывать руду и обрабатывать ядерные отходы
Европейские физики теоретически и экспериментально исследовали цикличные процессы всплытия и опускания на дно зерен арахиса в пиве, который называют «танец арахиса». Для этого они в течение двух с половиной часов снимали на камеру этот процесс в лаборатории. Анализируя эти результаты, ученые выяснили, что танец происходит из-за поверхностных свойств арахиса, на которых образование пузырьков предпочтительнее, чем на стенках стакана. Исследование опубликовано в Royal Society Open Science. В России распространен фокус, который показывают на вечеринках с шампанским. Для этого в полный бокал игристого напитка бросают изюминку, кусочек ананаса или дольку шоколада. Брошенное в жидкость тело сначала тонет, но затем всплывает под действием пузырьков газа, зародившихся на его краях. У поверхности пузырьки разрушаются и цикл повторяется. В аргентинских барах существует такая же традиция, только вместо шампанского там используют пиво, а вместо изюма — арахис. Там этот трюк получил название «танец арахиса». Несмотря на качественное понимание такого танца, физики плохо понимают его детали. Вместе с тем, такие процессы происходят не только на вечеринках или в барах, но и в природе: предполагается, что именно так плотный магнетит всплывает в магме. Похожим же образом горняки отделяют железо от руды. Разобраться в этом вопросе решили Луис Перейра (Luiz Pereira) из Университета Людвига Максимилиана и его коллеги из Англии, Германии и Франции. Для этого они провели экспериментальны с арахисом в пиве и подтвердили их результаты численными вычислениями. Физики наполняли резервуар размером 100 × 100 × 200 миллиметров одним литром лагера и опускали в него 13 обжаренных зерен арахиса Arachis hypogaea. Весь процесс они снимали на цифровую камеру. На начальном этапе все зерна плавали на поверхности из-за активного образования пузырей в перенасыщенном углекислом газом пиве. Примерно через 25-30 минут количество пузырьков уменьшалось и арахис начинал цикличное движение вверх и вниз под действием описанного выше механизма. Танец всех зерен прекратился примерно через 150 минут после начала эксперимента — количество газа, растворенного в пиве, опустилось ниже пороговой отметки. Для анализа результатов эксперимента авторы разбили задачу на три части: зарождение пузырьков, плавучесть и цикличность. Для этого им потребовалось знать капиллярные свойства системы, такие как плотность пива и газа, поверхностное натяжение, углы смачивания и так далее. Первое они рассчитали с помощью пивного онлайн калькулятора, второй — взяли из литературы, а для получения информации об углах ученым потребовалось провести дополнительные эксперименты по смачиванию пива стеклом и плоской частью арахиса. В результате физики смогли воспроизвести основные особенности поведения арахиса в пиве, которые они увидели в эксперименте. Так, они доказали, что арахис обладает поверхностью, на которой образование пузырей энергетически более выгодно, чем на стенках стакана. Если бы это было не так, танец арахиса был бы невозможен. Ученые отмечают, что арахис в пиве может служить модельной системой не только для задач геологии и добычи полезных ископаемых, но и в обработке ядерных отходов. Один литр пива — это не так много, когда речь идет о физическом эксперименте (впрочем, не только). То ли дело 30 литров! Именно столько потратили физики из Германии и Кореи, изучая стабильностью пивной пены при розливе «снизу-вверх».