Учёные создали самые точные атомные часы в мире

Физики из Центра квантовых технологий Национального университета Сингапура создали оптические атомные часы на основе иона лютеция, достигшие рекордной точности. Относительная систематическая погрешность установки приблизилась к одной десятимиллиардной доле миллиардной доли — уровню 10⁻¹⁹. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Атомные часы измеряют время по частоте перехода электрона между энергетическими уровнями атома. Лазер настраивают на эту частоту, а колебания света служат чрезвычайно быстрым и стабильным «маятником». С 1960-х годов международное определение секунды основано на микроволновом переходе в атомах цезия, однако оптические часы работают на значительно более высокой частоте и способны обеспечить ещё большую точность.

В каждой сингапурской установке находится один заряженный ион изотопа лютеция-176, удерживаемый электромагнитной ловушкой. Его часовой переход контролируется лазером с длиной волны 848 нанометров. Учёные более десяти лет изучали свойства этого элемента и разработали метод усреднения сверхтонкой структуры, уменьшающий влияние внешних факторов.

Главное преимущество лютеция заключается в слабой чувствительности его часового перехода к температурному излучению, магнитным полям и движению атома. Другие оптические часы требуют особенно строгого контроля окружающей среды, поскольку даже небольшие изменения могут сдвигать измеряемую частоту. Лютециевая система сохраняет высокую точность при комнатной температуре и не нуждается в сложном магнитном экранировании. Чтобы проверить результат, исследователи построили две независимые установки и сравнивали их работу в общей сложности 200 часов. С помощью корреляционной спектроскопии часы показали совпадение частот с неопределённостью 5,7 × 10⁻¹⁹.

Отдельная оценка систематической неопределённости для каждой установки составила около 1,2–1,3 × 10⁻¹⁹, что примерно в четыре раза лучше прежнего минимального показателя. Такая чувствительность означает, что часы реагируют даже на небольшую разницу в силе тяжести. Согласно общей теории относительности, время идёт немного медленнее ближе к массивному телу. Система способна различить изменение высоты примерно на пять миллиметров. Поэтому атомные часы могут стать инструментом геодезии, позволяя измерять перепады гравитационного потенциала и отслеживать изменения внутри Земли.

Оптические часы также нужны для проверки общей теории относительности, поиска возможных изменений фундаментальных постоянных и признаков тёмной материи. Кроме того, они рассматриваются как основа для будущего переопределения секунды в Международной системе единиц, которое ожидается не ранее 2030 года. Следующей задачей станет уменьшение лабораторной установки и создание переносных лютециевых часов. Это позволит сравнивать эталоны в разных научных центрах и применять рекордную точность за пределами одной лаборатории.

• Учёные предложили превращать пластиковые отходы в бензин и дизельное топливо
• ИИ и смешанную реальность впервые объединили при установке зубного импланта
• Капли воды могут повреждать краску микроскопическими электрическими разрядами
• Умные часы завышают расход калорий: учёные проверили четыре популярные модели
• Учёные обнаружили, что сверхтонкие алмазные мембраны способны вырабатывать электричество
• Учёные разработали жевательную резинку, которая может снижать уровень HPV и опасных бактерий во рту
• Ученые расплавили алмаз при давлении выше, чем в недрах Нептуна
• Учёные превратили спутники Starlink в гигантский сканер верхних слоёв атмосферы