Часы с точностью до 19 знаков после запятой: что изменит этот научный рекорд

Национальный институт стандартов и технологий (NIST) сделал большой шаг в развитии атомных часов. Их новейший прибор на основе иона алюминия способен измерять время с невероятной точностью — до 19 знаков после запятой. Это достижение стало итогом двадцатилетней работы и значительного усовершенствования каждой детали устройства.

Почему алюминий — идеальный "маятник"?

Ион алюминия выбрали не случайно. Он обладает очень стабильной и высокой частотой "тиканья", что делает его особенно подходящим для прецизионных измерений. По словам Дэвида Хьюма, руководителя проекта в NIST, алюминий превосходит цезий — эталон нынешней секунды — по устойчивости к влиянию температуры и магнитных полей.

"Работать над самыми точными часами в мире невероятно интересно. В NIST у нас есть возможность реализовывать долгосрочные проекты в области прецизионных измерений, которые продвигают физику и наше понимание мира", — говорит физик и первый автор статьи Мейсон Маршалл.

Квантовая логическая спектроскопия: союз алюминия и магния

Сам по себе ион алюминия сложен в работе: его трудно охлаждать и изучать с помощью лазеров, что необходимо для точных измерений. Помощь пришла в виде иона магния, который легче поддается лазерному контролю.

"Эта система парных ионов называется квантовой логической спектроскопией. Ион магния охлаждает ион алюминия, замедляя его, а также движется синхронно с ним, и состояние часов можно считывать через движение иона магния", — объясняет аспирантка проекта Уилла Артур-Дворшак.

Но даже такая координация требовала учёта множества физических нюансов.

"Это сложная задача, потому что каждая часть конструкции часов влияет на их работу", — отмечает аспирант Даниэль Родригес Кастильо.

Как решали технические проблемы

Одной из серьёзных преград стала ловушка для ионов. Микродвижения ионов, вызванные дисбалансом электрических полей, снижали точность. Чтобы исправить ситуацию, ловушку поместили на более толстую алмазную пластину и заменили покрытие электродов на золото.

Другой проблемой стал водород, выделявшийся из стали стенок вакуумной камеры. Он мешал работе часов, сталкиваясь с ионами. Для решения этой задачи камеру изготовили из титана, что снизило уровень водорода в 150 раз. Теперь часы могут работать без перезагрузки по несколько дней, а не каждые полчаса, как раньше.

Ключ к точности — лазер и оптоволокно

Самым важным нововведением стала стабильность лазера, используемого для измерений. В предыдущей версии часов квантовые флуктуации приходилось усреднять несколько недель. Теперь лазер стабилизировали с помощью источника Объединенного института лабораторной астрофизики JILA — одного из самых точных в мире.

Свет лазера передаётся по подземной оптоволоконной линии длиной 3,6 км к частотной гребёнке, что позволило повысить стабильность системы и увеличить время наблюдения ионов с 150 миллисекунд до целой секунды. Благодаря этому время измерений с точностью до 19-го знака сократилось с трёх недель до полутора дней.

Новые горизонты в науке и технике

Этот прорыв открывает возможности для переопределения секунды с невиданной точностью. Усовершенствованные часы станут мощным инструментом в геодезии, квантовых исследованиях и проверке фундаментальных законов физики, включая гипотезы об изменении природных констант.