Немецкие ученые достигли значительного прогресса в области измерения времени, создав новое поколение оптических атомных часов. Эти устройства работают на частоте лазера, которая в 100 000 раз превышает частоты традиционных цезиевых часов. Благодаря этому оптические часы уже сейчас показывают точность, в 100 раз превышающую показатели цезиевых аналогов.
Оптические атомные часы облучают атомы лазерным светом. При правильной частоте лазера атомы меняют свое квантовое состояние. Чтобы добиться высокой точности, атомы необходимо защищать от внешних воздействий, а оставшиеся влияния должны быть точно измерены. Это особенно эффективно для ионных часов, где ионы удерживаются в вакууме с помощью электрических полей.
Команда из PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt), одного из ведущих институтов в этой области, разработала несколько типов оптических часов, среди которых — часы с одним ионным источником и часы с оптической решеткой. В недавнем эксперименте новые ионные кристаллические часы были сравнены с другими оптическими системами и продемонстрировали рекордную точность. Эти часы могут измерять время и частоту в 1000 раз точнее, чем цезиевые.
На данный момент ионные часы достигли относительной систематической неопределенности за пределами 18-го знака после запятой. Это означает, что если бы они работали с момента Большого взрыва, они потеряли бы не более одной секунды. Однако для достижения такой точности требуется длительное время измерения, иногда до двух недель.
Чтобы оптимизировать процесс, исследователи предложили использовать несколько ионов одновременно, что позволит значительно сократить время измерения. В их концепции ионы различных видов взаимодействуют друг с другом, образуя кристаллическую структуру, что открывает новые горизонты для повышения точности.
Физик Йонас Келлер из PTB отметил, что использование ионов индия, обладающих особыми свойствами, позволит достичь высокой точности. Для охлаждения в кристалл добавляют ионы иттербия. Важной задачей стало создание ионной ловушки, которая обеспечивала бы высокоточные условия для многослойного кристалла.
Кристалл, состоящий из ионов индия (розовый) и иттербия (синий)
Руководитель группы Таня Мельштойблер и ее команда успешно справились с этими вызовами, и сейчас точность часов приближается к 18-му знаку после запятой. В сравнительных испытаниях участвовали также другие оптические и микроволновые системы часов, и результаты подтвердили, что новые часы индия достигли общей неопределенности ниже необходимых пределов.