Аннотация:
Исследователи из Центра квантовых технологий Национального университета Сингапура недавно объявили о важном прогрессе в области атомных часов. Они использовали редкоземельный элемент лютеций для создания нового типа оптических атомных часов, и благодаря точному сравнению двух атомных часов одного типа погрешность системы была снижена до 1,2×10⁻¹⁹. Исследовательская группа полагает, что этот результат делает атомные часы из лютеция одними из наиболее точных устройств для измерения времени, доступных в настоящее время, и, как ожидается, они станут кандидатом на технологию для переопределения «секунды» в Международной системе единиц в будущем.
Это исследование проводится в то время, когда мировое метрологическое сообщество рассматривает вопрос о необходимости переопределения базового определения слова «секунда». Одна секунда в действующей Международной системе единиц определяется на основе частоты перехода между двумя уровнями сверхтонкой энергии основного состояния атома цезия-133, что составляет 9192631770 конкретных микроволновых переходов. Цезий был основным материалом атомных часов с 1960-х годов, но с быстрым развитием технологии оптических атомных часов следующее поколение атомных часов, созданное с использованием таких элементов, как стронций, иттербий и кальций, смогло достичь гораздо более высокой точности, чем традиционные атомные часы на основе цезия.
Основной принцип оптических атомных часов заключается в использовании лазеров для точного управления электронами в атомах, вызывая переход электронов между двумя квантовыми состояниями, а также для измерения времени путем измерения частоты этого перехода. Квантовый переход электронов можно понимать как чрезвычайно устойчивый «маятник». Пока это колебание можно контролировать и измерять достаточно точно, можно получить исключительно точную временную базу.
Лютеций представляет интерес для исследователей, поскольку этот элемент обладает некоторыми свойствами, которые делают его идеальным для создания высокоточных атомных часов. Лютеций представляет собой лантанидный элемент с большой атомной массой, а его электронная структура делает его относительно менее подверженным влиянию факторов окружающей среды. В частности, он не чувствителен к тепловому излучению и изменениям магнитного поля, поэтому может уменьшить систематические ошибки, вызванные факторами окружающей среды, в процессе синхронизации.
Исследователи заявили, что эта характеристика лютециевых атомных часов означает, что даже если температура окружающей среды значительно изменится или условия магнитного поля изменятся, атомные часы все равно смогут поддерживать относительно стабильные временные характеристики. Мюррей Барретт, руководитель исследовательской группы и физик из Национального университета Сингапура, даже сказал, что если эти атомные часы перенести из среды с чрезвычайно высокой температурой, такой как Долина Смерти в Соединенных Штатах, в среду с чрезвычайно низкой температурой, как Антарктическое плато, они все равно смогут сохранять очень высокую стабильность.
Лютеций также имеет очень важное преимущество: связанная с ним частота атомного перехода очень высока, примерно в 10 000 раз превышает частоту, используемую в атомных часах цезия. Более высокая тактовая частота означает, что за единицу времени можно получить больше циклов измерения, что обеспечивает основу для чрезвычайно высокоточного измерения времени.
Однако лютеций также является одним из самых редких редкоземельных элементов на Земле, а также относительно плохо изученным элементом. Это означает, что, хотя теоретически он хорошо подходит в качестве материала для атомных часов, ученые еще не до конца поняли, как на самом деле ведут себя атомы лютеция в среде высокоточного измерения времени.
Команда Мюррея Барретта работает над атомными часами из лютеция уже около 10 лет. В ходе последнего эксперимента исследователи построили два атомных часа на ионах лютеция и сравнили их друг с другом в соответствии со строгими метрологическими стандартами. Благодаря многолетнему накоплению экспериментальных данных и углубленным исследованиям характеристик самих ионов лютеция команда наконец снизила неопределенность системы до 1,2×10⁻¹⁹.
Это число представляет собой масштаб систематической ошибки, которую могут иметь атомные часы при измерении собственной частоты. Чтобы понять, насколько высока эта точность, представьте ее как крошечную долю неопределенности на 10¹⁹ единиц времени. Ранее исследователи из Китайской академии наук использовали в этом году атомные часы с ионами кальция, чтобы достичь погрешности системы 4,4×10⁻¹⁹, поэтому объявленная сингапурской командой точность 1,2×10⁻¹⁹ еще больше обновила этот показатель.
Однако измерение точности атомных часов также является чрезвычайно сложной задачей. Достигнув этого уровня, даже различия в собственной гравитации Земли уже нельзя игнорировать. Согласно общей теории относительности, чем сильнее сила гравитации, тем медленнее течет время. При таком уровне точности даже разница в высоте всего в несколько миллиметров между двумя атомными часами может привести к достаточно большой разнице во времени, чтобы повлиять на результаты эксперимента из-за разного расстояния до ядра Земли.
Другими словами, когда ученые разрезают одну секунду на триллионы или более чрезвычайно малых временных интервалов, чрезвычайно слабые гравитационные различия между различными местами на земной поверхности могут стать важными переменными в эксперименте. Таким образом, лаборатория атомных часов должна не только контролировать такие условия, как температура, магнитное поле, лазер и т. д., но также должна чрезвычайно точно измерять положение и высоту двух часов.
И эта невероятная чувствительность является как раз одной из важнейших научных ценностей атомных часов следующего поколения. Поскольку на время влияют гравитационные поля, если атомные часы достаточно точны, ученые смогут измерять даже очень небольшие различия в гравитации, сравнивая изменения во времени в разных местах. Эта возможность может быть использована в будущем для точных измерений Земли, таких как изучение подземных структур, геологических изменений и тонких изменений в гравитационном поле Земли.
Что еще более важно, атомные часы чрезвычайно высокой точности также можно использовать в фундаментальных физических исследованиях. Ученые надеются использовать эти устройства для поиска неразрешенных противоречий между общей теорией относительности и квантовой механикой, а также для исследования новой физики за пределами Стандартной модели. Например, если некоторые параметры, считающиеся фундаментальными константами в природе, на самом деле изменяются крайне незначительно с течением времени или в окружающей среде, то достаточно точные атомные часы смогут уловить эту аномалию.
В то же время новые оптические атомные часы также способствуют изменениям в международной метрологической системе. Поскольку различные атомные часы, такие как ионы стронция, иттербия, алюминия, ионы кальция и лютеция, продолжают устанавливать рекорды точности, международное научное сообщество изучает, следует ли в будущем заменить нынешнее определение «секунды», основанное на микроволновом переходе атомов цезия, оптическими стандартами частоты.
По сравнению с традиционными атомными цезиевыми часами рабочая частота оптических атомных часов на несколько порядков выше, поэтому теоретически они могут обеспечить более точную привязку времени. Если международное метрологическое сообщество решит в будущем дать новое определение понятию «секунда», эти оптические атомные часы станут важными кандидатами на технологии.
Сингапурская команда считает, что лютециевые атомные часы обладают особым потенциалом, поскольку они могут не только достичь чрезвычайно высокой точности, но и относительно менее чувствительны к изменениям внешней среды, а это означает, что в будущем можно создать более стабильную и практичную высокоточную систему времени.
Конечно, 1,2×10⁻¹⁹ — это по-прежнему неопределенность системы, полученная в лабораторных условиях, и это не означает, что эти атомные часы могут поддерживать точно такие же характеристики в любой среде. Исследователям также необходимо провести больше измерений и перекрестную проверку в различных условиях, чтобы дополнительно подтвердить этот рекорд и продолжать уменьшать возможные систематические ошибки.
Исследовательская группа считает, что по мере продолжения эксперимента есть возможности для дальнейшего улучшения точности лютециевых атомных часов. Руководитель группы Мюррей Барретт даже считает, что, судя по нынешнему техническому маршруту, будет сложно найти решение, которое сможет легко превзойти эту архитектуру в будущем.
Это исследование было опубликовано в журнале Nature. Если последующие эксперименты смогут дополнительно проверить работу лютециевых атомных часов, они могут не только стать важным кандидатом на роль следующего поколения глобальных эталонов времени, но также могут стать новым инструментом для изучения гравитации, темной материи и основных физических законов. Другими словами, это устройство, которое, кажется, просто «более точно определяет время», на самом деле расширяет возможности человечества измерять основные законы Вселенной до беспрецедентных масштабов.
Комментарии