Точность измерения частоты атомных часов увеличили в полтора раза

Американские физики повысили точность определения частоты атомных часов в полтора раза. Теперь она достигает 2,5×10⁻¹⁹, что соответствует накоплению ошибки в 1 секунду за несколько сотен миллиардов лет. Добиться этого удалось за счет одновременного измерения квантового состояния нескольких тысяч атомов стронция, составленных в упорядоченную трехмерную решетку. Такая точность позволит использовать эти часы, например, для детектирования гравитационных волн, пишут ученые в Physical Review Letters.

Атомные часы — наиболее точный на данный момент инструмент для измерения времени. Он основан на определении частоты периодических электронных переходов между возбужденным и основным энергетическими уровнями в атомах щелочных или щелочноземельных металлов. Стабильность работы атомных часов определяется отношением отклонения частоты от своего начального значения к самой частоте и для большинства атомных часов составляет около 10^-15.

Максимально точные на сегодняшний день атомные часы представляют собой трехмерные решетки из атомов стронция, конфигурация которых зафиксирована с помощью лазерных ловушек, и неопределенность определения их точности составляет примерно 10^-18. Эти измерения основаны на определении частоты перехода в отдельных атомах стронция, которые находятся в состоянии вырожденного Ферми-газа. При этом ученые считают, что если точность определения частоты электронных переходов можно дополнительно повысить за счет анализа связанных квантовых состояний всех атомов в решетке, то атомные часы могут значительно расширить область своих применений. В частности, предполагается, что с помощью них можно будет измерить гравитационное красное смещение, и для этого будет достаточно лишь вакуумной камеры.

В своей новой работе та же группа ученых, которая создала самые точные стронциевые атомные часы, под руководством Юна Йе (Jun Ye) из Национального института стандартов и технологий США (NIST) разработала метод повышения точности измерения частоты энергетических переходов, определяя квантовое состояние атомов стронция в трехмерной решетке с рекордным пространственным разрешением. Предложенный физиками метод сочетает в себе оптическую спектроскопию и микроскопию высокого разрешения.

С помощью этого метода физики исследовали систему, состоящую из примерно 10 миллионов атомов стронция-87, охлажденных лазером до температуры 3 микрокельвина. Благодаря использованию оптических ловушек из той части атомов, которая находилась в нужном спиновом состоянии (их было около 10 тысяч), ученые выстроили упорядоченную трехмерную решетку, внешним магнитным полем ориентировали их спины, после чего лазерными импульсами перевели атомы в возбужденное состояние. После этого с помощью метода спектроскопии поглощения в видимой области ученые построили карты распределения квантового состояния атомов в решетках атомных часов.

Пространственное разрешение метода составило 1,1 микрометра и позволило определить квантовое состояние каждого атома в трехмерной оптической решетке в каждый момент времени. Согласно данным измерений, время когеренции атомов в решетке в среднем составляет около 4 секунд, а в отдельных случаях может достигать и 15 секунд. При этом за счет того, что одновременно можно проанализировать тысячи атомов, которые находятся в когерентном состоянии, ученым удалось значительно повысить и точность определения частоты переходов, а именно она в такой системе определяет и стабильность работы атомных часов.

Физики провели около тысячи измерений в течение шести часов, по результатам которых вычислили неопределенность при измерении частоты атомных часов. Она составила 2,5×10⁻¹⁹, что примерно в полтора раза лучше предыдущего рекорда. С учетом того, что частота самих часов составляет 429 терагерц, такая точность определения частоты соответствует абсолютной неопределенности в 100 микрогерц.

По утверждением авторов работы, полученные результаты могут использоваться для изучения фундаментальных эффектов квантовой физики и изучения явлений в системах из нескольких или многих тел. Возможными способами использования таких систем ученые называют детектирование гравитационных волн, а также исследование взаимосвязи квантовой механики и общей теории относительности на миллиметровом масштабе.

Поскольку атомные часы основаны на определении частоты периодических электронных переходов в атоме, то сделать из них механическую колебательную систему с наглядным способом измерения времени невозможно. Самые точные механические часы сделала недавно группа физиков из Австрии и Германии. Роль стрелок в них выполняют левитирующие кремниевые цилиндры. Точность таких часов примерно на 8 порядков меньше, чем атомных, тем не менее и для таких часов ошибка в одну секунду набежала бы при их непрерывной работе примерно за 11 тысяч лет.

Александр Дубов