Физики из Национального университета Сингапура создали атомные часы на одном ионе лютеция с рекордно низкой относительной погрешностью около 10⁻¹⁹. По оценке Nature, при такой точности часам потребовалось бы больше 260 млрд лет, чтобы накопить ошибку в одну секунду. Результаты эксперимента опубликованы 23 сентября в Nature.
Новый рекорд установила команда Центра квантовых технологий при Национальном университете Сингапура. Исследователи использовали одиночный заряженный ион изотопа лютеция-176 и лазер с длиной волны 848 нанометров. Полученная относительная неопределённость частоты составила около 1 × 10⁻¹⁹, что авторы называют самым низким показателем среди оптических атомных часов.
По данным Nature, лютециевые часы примерно в четыре раза превзошли предыдущий рекорд, установленный системой на ионах кальция. Однако одной расчётной оценки исследователям было недостаточно. Команда построила вторые часы на лютеции и сравнила работу двух независимых установок.
Сравнение продолжалось около 200 часов. Частоты двух часов совпали с неопределённостью 5,7 × 10⁻¹⁹, а систематическая составляющая неопределённости составила 1 × 10⁻¹⁹. Авторы называют эксперимент самой точной прямой проверкой двух атомных часов одного типа. Подобное сравнение особенно важно для метрологии, поскольку позволяет проверить, воспроизводит ли независимая установка ту же частоту, а не просто демонстрирует хорошие расчётные характеристики.
Атомные часы измеряют время не с помощью механического маятника или кварцевого генератора, а по частоте перехода между энергетическими состояниями атома. Лазер настраивают на частоту такого перехода, после чего колебания света фактически становятся сверхбыстрым эталонным «маятником». Международное определение секунды с 1967 года основано на переходе в атоме цезия-133, однако современные оптические часы на стронции, иттербии, алюминии и других элементах работают на гораздо более высоких частотах и способны обеспечить существенно лучшую точность.
Лютеций оказался особенно удобен благодаря слабой чувствительности нужного атомного перехода к температуре и магнитному полю. Такие внешние воздействия немного сдвигают частоту многих других атомных часов и становятся заметным источником ошибки на предельных уровнях точности. Сингапурская группа исследует лютеций больше десяти лет и разработала для часов специальный метод усреднения сверхтонкой структуры, который помогает подавлять подобные систематические сдвиги.
Точность новой установки уже упирается в эффекты общей теории относительности. Чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее идёт время, поэтому одинаковые сверхточные часы на немного разной высоте начинают показывать измеримую разницу частот. Лютециевая система способна почувствовать разницу высоты примерно в несколько миллиметров. При сравнении двух установок исследователям пришлось независимо измерить положение ионов с точностью лучше миллиметра.
Такая чувствительность превращает атомные часы из эталона времени в инструмент для геодезии и фундаментальной физики. С помощью сетей оптических часов учёные рассчитывают измерять небольшие изменения гравитационного потенциала Земли, проверять фундаментальные физические теории и искать признаки неизвестных взаимодействий. Однако сравнить лучшие часы из разных лабораторий уже непросто. Неопределённость знаний о гравитационном потенциале между удалёнными точками Земли становится сопоставима с погрешностью самих приборов.
Оптические часы рассматривают и как кандидатов на новое определение секунды. Международное метрологическое сообщество готовится заменить действующий цезиевый стандарт более точным оптическим эталоном, а решение ожидается не раньше 2030 года. Лютеций теперь вошёл в число элементов, которые могут претендовать на такую роль.
Следующей задачей команда называет уменьшение установки. Сейчас рекордные часы остаются лабораторным оборудованием, поэтому физики хотят создать переносную версию без заметной потери точности. Мобильные атомные часы позволят напрямую сравнивать лучшие установки в разных лабораториях и одновременно использовать разницу хода времени для измерения гравитационного поля Земли.
