Экспериментальные атомные часы в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) достигли трех новых показателей производительности, теперь тикают достаточно точно, чтобы не только улучшить хронометраж и навигацию, но также обнаружить слабые сигналы от гравитации, ранней вселенной и, возможно, даже темной материи.

На фото: Физик NIST Эндрю Ладлоу и его коллеги достигли новых рекордных характеристик атомных часов при сравнении двух оптических часов решетки иттербия. Лазерные системы, используемые в обоих часах, видны на переднем плане, а основное устройство для одного из часов расположено за Ладлоу. Фото: Burrus / NIST

Каждый час в каждой ловушке помещаются тысячи атомов иттербия в оптических решетках, решетки из лазерных лучей. Атомы гасят вибрацией или переключением между двумя уровнями энергии. Сравнивая два независимых такта, физики NIST достигли рекордной производительности в трех важных мерах: систематической неопределенности, стабильности и воспроизводимости.

Опубликованный онлайн 28 ноября в журнале Nature , новые записи NIST-часов:

  • Систематическая неопределенность: насколько хорошо часы представляют собственные колебания или частоту атомов. Исследователи NIST обнаружили, что каждый такт гаснет со скоростью, соответствующей естественной частоте, с возможной погрешностью всего 1,4 части в 1018 — около одной миллиардной доли миллиарда.
  • Стабильность: насколько частота часов изменяется в течение заданного интервала времени, измеренная до уровня 3,2 части в 1019 (или 0,0000000000000000003232) в течение дня.
  • Воспроизводимость: насколько близко два такта гаснут на той же частоте, что показано 10 сравнениями пары часов, что дает разницу частот ниже уровня 10-18 (опять же, менее одной миллиардной доли миллиарда).

«Системную неопределенность, стабильность и воспроизводимость можно считать« королевским флешем »производительности для этих часов», — сказал руководитель проекта Эндрю Ладлоу. «Согласие двух часов на этом беспрецедентном уровне, которое мы называем воспроизводимостью, — это, пожалуй, самый важный результат, потому что он по существу требует и обосновывает два других результата».

«Это особенно верно, потому что продемонстрированная воспроизводимость показывает, что общая погрешность часов падает ниже нашей общей способности учитывать влияние силы тяжести на время здесь, на Земле. Следовательно, поскольку мы предполагаем, что часы, подобные этим, используются по всей стране или миру, их родственники производительность впервые будет ограничена гравитационными эффектами Земли ».

Теория относительности Эйнштейна предсказывает, что титание атомных часов, то есть частота колебаний атомов, уменьшается при сдвиге к красному концу электромагнитного спектра — при работе в сильной гравитации. То есть время проходит медленнее на более низких высотах.

Хотя эти так называемые красные смещения деградируют хронометрирование часов, эту же чувствительность можно поворачивать на голове, чтобы изящно измерить гравитацию. Суперчувствительные часы могут более точно отображать гравитационное искажение пространства-времени. Приложения включают релятивистскую геодезию, которая измеряет гравитационную форму Земли и обнаруживает сигналы от ранней вселенной, такие как гравитационные волны и, возможно, даже пока еще необъяснимую «темную материю».

Иттербийские часы NIST теперь превосходят обычные возможности измерения геоида или формы Земли на основе наблюдений приливных колебаний уровня моря. Сравнение таких часов, расположенных далеко друг от друга, например, на разных континентах, может разрешить геодезические измерения на расстоянии до 1 сантиметра, что лучше, чем современное состояние в несколько сантиметров.

Исследователи говорят, что за последнее десятилетие новых записей о производительности часов, объявленных NIST и другими лабораториями по всему миру, эта последняя статья демонстрирует воспроизводимость на высоком уровне. Кроме того, сравнение двух часов является традиционным методом оценки производительности.

Среди усовершенствований последних иттербиевых часов NIST было включение тепловой и электрической защиты, которые окружают атомы для защиты их от рассеянных электрических полей и позволяют исследователям лучше охарактеризовать и исправить сдвиги частоты, вызванные тепловым излучением.

Атом иттербия входит в число потенциальных кандидатов для будущего переопределения второй — международной единицы времени — по оптическим частотам. Новые записи часов NIST соответствуют одному из требований дорожной карты международного переопределения, 100-кратное улучшение в проверенной точности по сравнению с лучшими часами, основанными на текущем стандарте — атоме цезия, который вибрирует на более низких микроволновых частотах.

NIST создает портативные часы с решеткой из иттербия с самой современной производительностью, которые можно транспортировать в другие лаборатории по всему миру для сравнения часов и в других местах для изучения релятивистских методов геодезии.

По материалам phys.org