Створено “подвійний” атомний годинник з найвищою точністю і стабільністю

Вчені-фізики з Національного інституту стандартів і технології (National Institute of Standards and Technology, NIST) створили атомний годинник, що мають два хронометричних елемента на основі атомів ітербію.

І ці години мають рекордний на сьогоднішній день показник точності і стабільність, що дозволить допомоги проводити перевірку значень фундаментальних фізичних констант, пошуки темної матерії і багато іншого.

“Створюючи новий годинник, ми усунули один з критичних типів перешкод, що дозволило нам отримати більш сильний сигнал від хронометричних елементів” – розповідає Ендрю Ладлоу (Andrew Ludlow), вчений-фізик з NIST. Ми отримали значення стабільності в 1.5 квінтіліонной (10 ^ -18) секунди, що не набагато кращий за попередній рекордного показника стабільності годин, отриманого нами кілька років тому. Але наші нинішні годинник працює як мінімум в 10 разів швидше, ніж будь-які попередні “.

Атоми ітербію і стронцію, використовувані в оптичних атомних годинниках, коливаються з частотами, що знаходяться в оптичному діапазоні, що набагато вище мікрохвильових частот, що використовуються в звичайних атомних годинниках. Хмари цих атомів висвітлюються світлом високостабільного лазера, що змушує атоми переходити з одного енергетичного стану в більш високе і навпаки. Другий лазер використовується для визначення частоти цих переходів і ця частота є сигналом хронометричного елемента. Природно, будь-яка перешкода або невизначеність, яка зачіпає цей “крихкий” процес , збиває частоту і знижує точність хронометрування.

Зазвичай оптичні атомний годинник мають так званий “мертвий” проміжок часу, протягом якого група атомів готується до роботи і проводять виміри частоти. Час в цей момент продовжує відраховуватися з попереднім показаннями годин, що не дозволяє провести його корекцію і компенсацію. Цей ефект, що спостерігався вперше в 1990-х роках, до останнього часу обмежував стабільність і точність атомних оптичних годин.

Новий годинник мають нульове значення мертвого проміжку часу, через що вони отримали назву ZDT (zero dead time). Це було досягнуто шляхом використання двох хронометричних елементів, які працюють по черзі. У будь-який з моментів часу один з елементів забезпечує функцію хронометрування годин, а другий елемент готується до роботи. У першому хронометричних елементі використовується “ансамбль” з 5 тисяч атомів ітербію, а в другому – з 10 тисяч атомів, кожен з яких спійманий в вузлах сітки з лазерного світла, так званої оптичної решітки.

Цілком природно, що вимірювання часу і їх корекція виробляються в новому годиннику в два рази швидше, ніж в будь-яких інших годинах з одним хронометричним елементом. Через відсутність проміжку мертвого часу такий годинник виходять на їх рекордний рівень стабільності в 10 разів швидше, і тепер точність цього годинника обмежена точністю роботи їх “атомної” системи, а не стабільністю лазера, як це було раніше.

Ще одним цікавим фактом є те, що нові “подвійні” атомний годинник зроблені досить компактними і цей апарат може експлуатуватися поза стінами лабораторій. “Незабаром ми зробимо годинник ще більш компактними, використовуючи одну загальну вакуумну установку і більш прості лазерні системи” – розповідає Ендрю Ладлоу, – “І після цього такий годинник можна буде навіть відправляти у космос”.