Атомные часы побили рекорд точности — тяжёлый лютеций оказался почти идеальным эталоном времени
Физики сделали новый шаг к созданию самых точных часов в истории. Исследователи Национального университета Сингапура разработали оптические атомные часы на основе иона лютеция-176, которым удалось достичь неопределённости порядка 1 × 10⁻¹⁹. Две независимые установки практически идеально совпали при сравнении, подтвердив точность измерений на 19-м знаке после запятой.
Новый рекорд точности
Современные оптические атомные часы уже давно превосходят традиционные цезиевые стандарты, однако главная проблема заключается не только в стабильности, но и в способности исключить влияние окружающей среды.
Команда из Сингапура решила использовать одиночный ион лютеция-176 (¹⁷⁶Lu⁺). В эксперименте два независимых оптических эталона сравнивали друг с другом в течение примерно 200 часов.
Полученная систематическая неопределённость составила около 1,2 × 10⁻¹⁹ для первых часов и 1,3 × 10⁻¹⁹ для вторых. Разница между двумя системами соответствовала уровню около 5,7 × 10⁻¹⁹. Учёные отмечают, что это одна из наиболее строгих проверок точности атомного стандарта, поскольку оба устройства использовали одинаковый вид ионов.
По данным Nature, новый результат примерно в четыре раза улучшает предыдущий рекорд, установленный оптическими часами на ионах кальция.
Почему именно лютеций
Главное преимущество нового подхода связано с необычными свойствами лютеция.
Ион ¹⁷⁶Lu⁺ значительно тяжелее многих других атомов, используемых в оптических часах. Большая масса снижает чувствительность системы к некоторым видам движения и связанных с ним сдвигов частоты.
Но ещё важнее другое: выбранный переход между энергетическими состояниями иона гораздо меньше реагирует на внешние воздействия, чем многие альтернативные системы.
Исследователи отмечают особенно низкую чувствительность к тепловому излучению и магнитным полям. Это существенно, поскольку даже небольшие изменения температуры или магнитной обстановки способны нарушить работу сверхточного атомного эталона.
Часы работают при комнатной температуре
Есть у разработки ещё одна важная особенность. Для работы установки не понадобилась сложная криогенная система — эксперимент проводился при комнатной температуре.
Это потенциально упрощает создание компактных и переносимых оптических часов. Учёные считают, что технологию в будущем можно будет вывести за пределы лабораторий. При этом для охлаждения, управления и считывания состояния иона используются доступные современные лазерные технологии.
Часы могут измерять высоту с миллиметровой точностью
Рекордная точность нужна не только для того, чтобы сделать часы «лучше».
Оптические часы настолько чувствительны, что способны фиксировать крошечные изменения частоты, вызванные разницей в гравитационном потенциале. А поскольку гравитация зависит от высоты, такие системы потенциально позволяют использовать время как сверхточный инструмент для измерения высоты.
Авторы исследования указывают, что подобная технология открывает возможность геодезических измерений на миллиметровом уровне. Это может пригодиться для мониторинга движения земной коры, изучения гравитационного поля Земли и других задач фундаментальной геофизики.
Новый инструмент для поиска новой физики
Рекордные атомные часы интересны и физикам, которые ищут отклонения от известных законов природы.
Такие эталоны позволяют проводить чрезвычайно точные тесты общей теории относительности, проверять постоянство фундаментальных физических величин и искать возможные следы тёмной материи.
Чем меньше собственная неопределённость часов, тем слабее эффект, который способен скрыться внутри погрешности измерения. Поэтому дальнейшее совершенствование оптических часов может дать физикам совершенно новые возможности для экспериментов.
На пути к новому определению секунды
Современная секунда определяется через частоту перехода атома цезия. Однако научное сообщество уже несколько лет рассматривает возможность перехода к новому определению единицы времени на основе оптических атомных часов.
Новая разработка на лютеции особенно интересна именно в этом контексте: исследователи смогли не просто заявить о рекордной точности, а экспериментально подтвердить её сравнением двух независимых установок.
Если подобные результаты будут воспроизведены другими лабораториями, лютеций может стать одним из кандидатов на роль основы будущего поколения международных эталонов времени.
Вывод
Лютеций неожиданно оказался одним из наиболее перспективных элементов для сверхточного измерения времени. Новые атомные часы работают при комнатной температуре, меньше подвержены влиянию окружающей среды и уже продемонстрировали неопределённость на уровне 10⁻¹⁹.
По сути, физики получили не просто более точные часы, а новый научный инструмент, способный измерять крошечные изменения гравитации, проверять фундаментальные законы физики и приблизить человечество к следующему поколению определения секунды.