Трехмерные оптические решетки увеличили точность атомных часов

Трехмерные оптические решетки увеличили точность атомных часов

Точность атомных часов удалось увеличить примерно на порядок за счет подавления межатомных взаимодействий при создании трехмерной решетки. Ученые из Национального института стандартов и технологий США (NIST) продемонстрировали это на плотной трехмерной решетке, составленной из 3 тысяч атомов стронция. Работа опубликована в Science.

Атомные часы являются наиболее точным на данный момент прибором для измерения времени. Их действие основано на измерении периодических сигналов при электронных переходах между двумя энергетическими уровнями, образованными в результате сверхтонкого расщепления. Еще в 1967 году атомные часы на основе изотопа цезия-133 стали использовать в качестве стандарта времени. Сейчас эталон секунды определяется как время 9 192 631 770 электронных переходов в атоме цезия. Точность работы атомных часов определяется отношением отклонения частоты перехода за определенный промежуток времени к самой частоте, и последние годы ее удается постоянно увеличивать. Это происходило за счет снижения фонового излучения при уменьшении температуры, использования атомных фонтанов или замены цезия на иттербий. К настоящему моменту максимальная точность атомных часов составляет около 10-17, что означает накопление ошибки в одну секунду за несколько сот миллионов лет.

В своем новом исследовании ученые из США предложили использовать для атомных часов трехмерную решетку из атомов стронция, частота электронных переходов в котором на несколько порядков больше, чем в цезии. С помощью систем лазерного охлаждения ученые смогли создать плотную трехмерную решетку из нескольких тысяч атомов, в которой положение каждого атома было строго зафиксировано. Это позволило ученым точно контролировать взаимодействие между атомами.

Количество атомов, которые раньше использовались в атомных часах, состоящих из одномерных решеток, определялось балансом между устойчивостью работы часов (она повышается при увеличении количества атомов) и точностью (она падает из-за большого количества межатомных взаимодействий). В отличие от одномерной, трехмерная решетка большой плотности позволяет получить вырожденный Ферми-газ, который образуется, если тождественные частицы находятся на расстоянии меньше их длины волны де Бройля друг от друга. Это приводит к снижению влияния межатомных взаимодействия и позволяет уменьшить систематическую ошибку атомных часов.

Оценив дисперсию Аллана для частоты переходов в созданных решетках из разного количества атомов стронция, ученым удалось показать, что увеличение числа атомов в решетке приводит к заметному увеличению точности часов. Для максимального числа атомов удалось добиться того, что из 10 квинтиллионов (это 1019) «тиков» таких стронциевых часов только 3 с половиной были не синхронизированы. Это привело к тому, что систематическую ошибку удалось снизить до уровня ниже, чем 10-18.
Недавно ученые показали, что максимальная точность квантовых часов может определяться не только их инструментальной реализацией, но ограничиваться термодинамическими принципами.

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>