Первые криогенные часы в истории — ион, замороженный почти до абсолютного нуля, меняет наши представления о точности времени

Физики из Торонто представили устройство, которое показывает, насколько глубоко можно продвинуться в измерении времени, если убрать даже мельчайшие источники помех. Они создали оптические часы, работающие на одиночном ионе стронция, удерживаемом в криогенной ловушке при температуре чуть выше абсолютного нуля. Такой экстремальный холод позволяет почти полностью исключить тепловое излучение, которое мешает атомам сохранять стабильное квантовое состояние.

Установка построена вокруг одиночной частицы, использующейся как эталон частоты. Внутренние переходы стронция задают ритм лазеру, выступающему ядром всей системы. Для любых часов нужна строгая повторяемость, но оптические приборы вынуждены бороться с тепловым фоном. Даже слабое инфракрасное излучение способно сместить энергетические уровни атомов на величину, которую современные измерения уже замечают. Поэтому команда из Университета Торонто решила устранить проблему там, где она возникает, и создала условия, при которых атом перестаёт взаимодействовать с тепловыми фотонами.

Такой подход выводит оптические часы на совершенно новый уровень стабильности. В обычных установках используется охлаждение, но металл камеры и окружающие элементы всё равно испускают тепловое излучение. При понижении температуры до нескольких Кельвинов эта помеха исчезает, и ион начинает вести себя как идеальный камертон с максимально устойчивыми переходами. Благодаря этому новая установка может обеспечить точность, значительно превосходящую существующие стандарты, которые лежат в основе определения секунды.

Развитие оптических часов меняет не только саму метрологию времени. Множество фундаментальных величин привязано к частоте и длительности. Электрический ток определяется числом электронов, проходящих через область за строго фиксированный период, а напряжение связано с квантовыми эффектами, зависящими от частоты. Чем чище фиксируется временной интервал, тем аккуратнее воспроизводятся эталоны, лежащие в основе электротехнических измерений.

Но наибольший интерес к приборам такого класса связан с их значением для проверки законов природы. Квантовые переходы реагируют на малейшие изменения фундаментальных параметров. С помощью сверхстабильных часов можно отслеживать возможные колебания значений постоянной Планка, скорости света и других величин, считавшихся неизменными. Уточнение таких параметров невозможно без приборов, способных фиксировать разницу в частоте на уровне, где проявляются тончайшие эффекты. Криогенная установка из Торонто как раз открывает путь к экспериментам, которые ещё недавно казались недостижимыми.