Физики из Сингапура создали самые точные атомные часы на ионе лютеция
Сингапурские физики собрали оптические часы, эталоном в которых служит единственный ион лютеция-176. Относительная неопределённость установки — порядка 10⁻¹⁹. Руководитель группы Мюррей Барретт называет её самым точным атомным стандартом частоты в мире. Работа опубликована в журнале Nature, а оценённая систематическая погрешность оказалась ниже, чем у прежних оптических эталонов частоты. Установка создана в Центре квантовых технологий, действующем при Национальном университете Сингапура. Об этом пишет сайт Новая Наука.
Привычный маятник или кварцевый генератор здесь не работает: время отсчитывают по частоте перехода электрона между двумя энергетическими уровнями атома. Лазер подстраивают точно под неё, и колебания света играют роль эталона. Нынешняя секунда привязана к переходу в цезии-133, у оптических переходов частота куда выше, поэтому интервалы дробятся мельче. Стронций, иттербий и алюминий в подобных системах уже освоены, а сингапурцы остановились на лютеции: на каждую установку приходится один положительно заряженный ион лютеция-176, который удерживают электромагнитными полями, а опорой служит переход с длиной волны 848 нанометров. На частоту любых атомных часов влияют температура, магнитные поля и перемещение иона, и эти эффекты приходится учитывать. У лютеция вклад теплового излучения окружающих предметов и поля оказался особенно мал, а большая масса атома гасит ошибки от движения иона. Обе установки обошлись без сложного магнитного экранирования и работали при обычной комнатной температуре.
Первые часы дали суммарную систематическую неопределённость 1,2 × 10⁻¹⁹, вторые — 1,3 × 10⁻¹⁹, то есть уровень около 10⁻¹⁹. Это почти в четыре раза лучше прежней минимальной опубликованной оценки для оптического стандарта частоты. Одной расчётной оценки мало, поэтому построили вторую независимую установку и напрямую сверили частоты. Сверка шла около 200 часов с применением корреляционной спектроскопии, которая подавляет шум общего лазера и позволяет сопоставлять сами атомные эталоны. Разница между частотами оказалась совместима с нулём, а статистическая неопределённость сравнения — 5,7 × 10⁻¹⁹. Обычно оптические стандарты с погрешностью ниже 10⁻¹⁸ такой проверки не получали.
На таком уровне начинает сказываться гравитация. По общей теории относительности часы в более сильном поле идут чуть медленнее, поэтому даже небольшая разница в высоте даёт измеримое расхождение частот. Два иона стояли на одном оптическом столе, но на разной высоте. Разницу — около 3,97 миллиметра — измерили и внесли поправку на гравитационное замедление времени; точности хватило, чтобы различить перепад высоты примерно в 5 миллиметров. Отсюда и сложность: сверять лучшие часы из разных лабораторий мешает недостаточно точное знание разницы гравитационного потенциала между точками Земли. Поэтому команда планирует сделать переносную версию и возить её по лабораториям, сопоставляя со стандартами на стронции, иттербии и алюминии прямо на месте.
Точное время нужно не только для его измерения. Такие приборы позволяют проверять общую теорию относительности, искать дрейф фундаментальных постоянных и следы отдельных моделей тёмной материи, а также улавливать изменения гравитационного потенциала планеты. Лютеций рассматривают и как кандидата в основу будущего определения секунды. Метрологи готовятся отказаться от цезиевого стандарта, но выбор атома и перехода пока не сделан, а пересмотр ожидается не раньше 2030 года. Новый результат усиливает позиции лютеция, и авторы не исключают, что дальнейшие улучшения опустят погрешность до нескольких единиц 10⁻²⁰.
