Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) объявил о достижении нового рекорда в области точности измерения времени с помощью уникальных атомных часов, основанных на ионах алюминия. Эта инновационная разработка, которая шла более двух десятилетий, теперь позволяет фиксировать время с беспрецедентной точностью – до 19-го десятичного знака. Новинка обещает стать ключевым инструментом для многих научных и технологических дисциплин, включая квантовые вычисления и фундаментальные физические исследования. Атомные часы давно считаются эталоном в измерении времени, однако традиционные модели имеют определенные ограничения, связанные с чувствительностью к внешним факторам и диапазоном точности. Новые часы NIST базируются на принципах оптических атомных часов, которые превосходят по точности привычные цезиевые системы, использующиеся сегодня для определения секунды.
Ионы алюминия, будучи основным рабочим элементом часов, обладают исключительной стабильностью частоты, что обеспечивает высокую стабильность «тиков» и минимальное влияние окружающей среды. Высокоточная работа этих часов стала возможна благодаря использованию квантовых технологий, а именно квантовой логики спектроскопии, в которой ион алюминия объединяется с ионом магния. Магний, в свою очередь, играет роль «партнера» иона алюминия, позволяя эффективно охлаждать его с помощью лазерного излучения и считывать состояние системы благодаря совместному движению двух ионов. Такая «командная работа» ионов обеспечивает более точное и стабильное измерение времени, чем это было доступно ранее. Главной проблемой при разработке атомных часов с использованием ионов алюминия было то, что этот элемент трудно поддается прямому воздействию лазеров для охлаждения и манипуляций.
Использование магниевого иона помогло решить эту проблему, так как он легко контролируется лазерами. Эта пара ионов движется синхронно, а состояние алюминиевого иона считывается по его влиянию на магний, что делает процесс не только точным, но и эффективным. Не меньшую роль сыграли технические усовершенствования в конструкции ионной ловушки, где удерживаются ионы. Ранее небольшие микродвижения ионов, вызванные неравномерными электрическими полями, снижали точность измерений. Исследователи разработали новые методы устранения электрических дисбалансов, в том числе применили толстую алмазную подложку и улучшили золотое покрытие электродов, что уменьшило сопротивление и стабилизировало электрические поля.
Это позволило ионам «тихо тикануть» без посторонних помех. Важным фактором также стала модификация вакуумной камеры. Традиционные камеры из стали выделяли водород, который взаимодействовал с ионами, прерывая измерения и заставляя часто перезагружать систему. Новый корпус из титана значительно уменьшил уровень водорода в камере, позволив проводить измерения без перезапуска в течение нескольких дней вместо получаса. Это повысило надежность и удобство работы часов.
Одним из ключевых элементов в достижении рекордной стабильности стала лазерная система, используемая для взаимодействия с ионами. В 2019 году часы работали с лазером, который требовал длительного времени усреднения показаний из-за квантовых флуктуаций. Совместная работа с лабораторией с участием профессора Джуна Ее, известного своими ультра-стабильными лазерами, привела к значительному повышению стабильности. Их лазер, размещенный в институте JILA, передавал стабильность через оптическое волокно, что позволило увеличить время взаимодействия с ионами с 150 миллисекунд до целой секунды. Эти улучшения привели к тому, что время, необходимое для достижения точности до 19-го знака после запятой, сократилось с трех недель до полутора дней.
Это значительный прорыв, делающий часы не только самым точным инструментом в мире, но и практически применимым в повседневных и научных задачах. Улучшенная точность позволяет создать новые методы измерения геодезических параметров Земли, а также проводить исследования фундаментальных физических констант и проверять гипотезу об их возможной изменчивости со временем. Данное достижение является также важной платформой для дальнейшего развития квантовых технологий. Исследователи планируют расширять число ионов в часах и использовать явления квантовой запутанности для повышения точности измерений, что открывает новые возможности для создания более совершенных систем времени и навигации. Применение таких сверхточных часов выходит далеко за пределы традиционного измерения времени.
Они станут основой для разработки высокоточных систем глобального позиционирования, улучшат синхронизацию телекоммуникационных сетей и даже помогут проверить новые теории в физике, выходящие за рамки Стандартной модели. Кроме того, сокращение времени усреднения результатов означает, что эти часы смогут эффективно работать в более динамичных условиях и обеспечивать быстрые и надежные измерения. Команда ученых NIST, включающая таких талантливых специалистов, как Мейсон Маршалл, Дэвид Хьюм, Уиэлла Артур-Дворшак и Даниэль Родригес Кастильо, продемонстрировала значительный уровень инженерного мастерства и научной изобретательности. Их совместная работа в последние годы привела к созданию системы, которая не только устанавливает новый мировой рекорд, но и задает ориентиры для дальнейших исследований и инноваций. Публикация с результатами этих исследований была опубликована в престижном журнале Physical Review Letters, что свидетельствует о высоком уровне признания достижений в научном сообществе.
Обсуждение дальнейших перспектив и возможностей использования этих часов во многих областях науки и техники продолжается, и впереди нас ждут новые открытия и прорывы. В целом, уникальные атомные часы NIST на основе ионов алюминия – это не просто рекордсмены по точности, но и мощный инструмент, меняющий представление о времени, его измерении и возможностях квантовых технологий. Их появление открывает целую эпоху в метрологии, позволяя решать задачи, которые ранее казались недостижимыми, и вдохновляя ученых по всему миру на новые достижения.
