Трехмерные оптические решетки увеличили точность атомных часов

Тoчнoсть aтoмныx чaсoв удaлoсь увeличить примeрнo нa   пoрядoк зa   счeт пoдaвлeния мeжaтoмныx взaимoдeйствий при сoздaнии трexмeрнoй 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.

S. L. Campbell et al./ Science, 2017

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.

(a) Дисперсия Аллана для решетки из 1   тысячи атомов стронция (красные точки) и 3   тысяч атомов стронция. (b) Гистограмма распределения частотных различий для 3000   атомов в решетке, накопленных за 2,2   часа. S. L. Campbell et al./ Science,   2017

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.

Автор: Александр Дубов

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.