Комбинирование частот сделало тулиевые атомные часы точнее

Российские физики применили схему измерения, основанную на использовании синтетической частоты, к оптическим атомным часам на базе атомов тулия. Они показали, что в этом случае влияние электрических и магнитных полей удается уменьшить и достичь 18 знака после запятой в нестабильности и систематической погрешности. Работа опубликована в Nature Communications.

Стандарты измерения времени играют важную роль в науке и технике. По мере развития технологий, точность, с которой может быть определена одна секунда, неизменно растет. С некоторого момента ученые стали определять секунду через частоты, соответствующие переходам между атомными уровнями, а устройства, которые позволяют это делать, получили название атомных часов. Классическими атомными часами считаются часы на основе сверхтонкого перехода в атоме цезия-133 (9,2 гигагерца), которые были созданы еще во второй половине XX века. С тех пор было предложено множество других вариантов атомных часов, чья стабильность, то есть относительное отклонение частоты за некоторый промежуток времени, была улучшена.

Большой прогресс в этом направлении был достигнут при применении переходов, чья частота лежит в оптическом диапазоне. Современные оптические часы на основе оптических решеток вышли на уровень 19 знака после запятой в нестабильности и систематической погрешности, что позволило искать с их помощью тонкие фундаментальные эффекты, в том числе и те, что связаны с релятивизмом и гравитацией. Главными источниками погрешностей при этом оказались световые поля опрашивающих импульсов и оптических решеток, чернотельное излучение и зеемановские сдвиги. Ученые продолжают поиск схем часов, в которых влияние этих факторов было бы уменьшено.

Российские физики под руководством Николая Колачевского (Nikolai Kolachevsky), директора Физического института имени Лебедева РАН, экспериментально исследовали стабильность оптических часов на основе атомов тулия, в которых измеряется синтетическая частота перехода. В частности, они показали, что такой подход позволяет существенно снизить квадратичный зеемановский сдвиг, что в совокупности всех факторов позволяет достигнуть нестабильности уровня 10^-18.

Атом тулия был выбран авторами из-за наличия в нем часового перехода с длиной волны 1,14 микрометра между компонентами сверхтонкого расщепления. Его особенность в том, что этот переход происходит за счет переворота спина в 4f оболочке, которая экранирована вышележащими 5s и 6s оболочками от межатомных столкновений и постоянных электрических полей. Ранее они показали, что это приводит к крайне незначительным сдвигам, вызванным взаимодействием с чернотельным излучением. Фактически, главными источниками совокупных сдвигов в таких часах оказались сдвиг Зеемана второго порядка и дифференциальная тензорная поляризуемость.

Для борьбы с ними физики применили подход на основе синтетической частоты. Его суть заключается в одновременном опросе двух разных переходов с близкими частотами и с зеемановскими сдвигами, равными по величине, но противоположными по знаку. При комбинировании обоих результатов с помощью одной синтетической частоты зависимость от магнитного поля исчезает.

Чтобы реализовать эту идею, ученые выбрали переходы |g,F=4,m_F=0⟩→|c,F=3,m_F=0⟩ и |g,F=3,m_F=0⟩→|c,F=2,m_F=0⟩, где |g⟩ обозначает основное состояние ∣4f¹³(²F^o)6s²,J=7/2⟩, а |c⟩ - возбужденное ∣4f¹³(²F^o)6s²,J=5/2⟩. Оба этих перехода возбуждаются излучением длиной волны 1,14 микрона с разницей, равной 617 мегагерц. Такая небольшая разница позволила применить акусто-оптические модуляторы для конвертирования одного лазерного импульса в два, соответствующих каждому из переходов, и обеспечить таким образом одновременный опрос. Сами атомы были помещены в оптическую решетку в контролируемом магнитном поле.

Чтобы убедится, что от зеемановских сдвигов удается избавиться, физики измеряли поправки к частотам обоих переходов, вызванные изменением магнитного поля, для различных моментов времени, а затем смотрели, как это сказывается на поправке к синтетической частоте. В результате они увидели, что синтетическая частота действительно оказывается нечувствительна к изменениям магнитного поля в различном диапазоне и к его флуктуациям со временем в пределах одного стандартного отклонения. Фактически, применение синтетической частоты уменьшило ее чувствительность к эффекту Зеемана в 1000 раз.

Подавление зеемановских сдвигов позволило авторам заняться сдвигом, вызванным электрическими полями. Они показали, что при особой, «магической» длине волны оптической решетки вклад скалярной и тензорной поляризуемости компенсируют друг друга, если угол между магнитным полем и поляризацией решетки будет равен 90 градусам. В этом случае главным источником сдвигов оказывается стабильность этого угла. Физики смогли удержать ее в пределах 10^-18 для магнитного поля величиной 520 миллигаусс.

Авторы отмечают, что нечувствительность предложенных ими часов к магнитному полю снижает требования к экранированию, и, как следствие, повышает их мобильность. Кроме того, применение синтетической схемы не привносит дополнительных систематических сдвигов по сравнению с поочередным измерением обоих переходов. Нестабильность в этом случае, наоборот, оказывается в 1,4 раза ниже.

Вооружившись сверхточными атомными часами, физики регулярно пытаются обнаружить или проверить новые фундаментальные эффекты. Мы уже рассказывали, как они улучшили ограничения на взаимодействие темной материи с обычной материей.

Марат Хамадеев