Исследователи измерили ход оптических часов с рекордной точностью, а также показали, что часы могут работать с беспрецедентной точностью. Эти достижения представляют собой значительный шаг к демонстрации того, что оптические атомные часы нового поколения достаточно точны и надежны, чтобы их можно было использовать для переопределения официальной длины секунды, которая в настоящее время основана на микроволновых атомных часах.
«Более точное определение секунды и более совершенная инфраструктура для хронометража будут способствовать постоянному развитию систем хронометража, используемых в самых разных приложениях, включая системы связи и навигации», - сказал Эндрю Ладлоу, один из руководители исследовательской группы из Национального института стандартов и технологий (NIST), США. «Это также обеспечит более точные измерения для изучения физических явлений, которые еще не полностью изучены».
Новое исследование опубликовано в Optica, журнале The Optical Society, посвященном высокоэффективным исследованиям.
«Оптические часы, вероятно, обладают гораздо более высокой точностью, вероятно, в 10-100 раз лучше, чем то, что мы измеряли в этой работе», - сказал Ладлоу. «Чтобы доказать истинную точность этих часов, не ограничиваясь сегодняшним определением секунды, потребуются высококачественные сравнения непосредственно между различными типами оптических часов».
Зачем использовать оптические часы?
Часы работают, отсчитывая повторяющееся событие с известной частотой, например, раскачивание маятника. Для традиционных атомных часов повторяющимся событием является собственное колебание атома цезия, частота которого находится в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра. С 1967 года Международная система единиц (СИ) определяет секунду как время, которое проходит в течение 9 192 631 770 циклов микроволнового сигнала, создаваемого этими колебаниями.
В оптических атомных часах используются атомы, такие как иттербий и стронций, которые колеблются примерно в 100 000 раз выше, чем микроволновые частоты, в оптической или видимой части электромагнитного спектра. Эти более высокие частоты позволяют оптическим часам идти быстрее, чем микроволновые атомные часы, что делает их более точными и стабильными во времени.
«Более высокие частоты, измеряемые оптическими часами, обычно облегчают контроль над влиянием окружающей среды на атомы», - говорит Тара Фортье, член исследовательской группы.«Это преимущество может в конечном итоге позволить разработать компактные системы оптических часов, которые сохранят относительно высокую производительность в широком диапазоне прикладных сред».
Достижение рекордной точности
Чтобы показать, что время, измеряемое оптическими часами, совместимо с современными стандартными цезиевыми атомными часами, исследователи преобразовали частоту иттербиевых оптических атомных часов в NIST в микроволновую область и сравнили ее с набором измерений цезиевых атомные часы, расположенные по всему миру.
Им удалось измерить частоту иттербиевых оптических часов с погрешностью 2,1 X 10-16. Это соответствует потере всего около 100 секунд по сравнению с возрастом Вселенной (14 миллиардов лет) и устанавливает новый рекорд точности измерений оптических часов с привязкой к цезию.
Хотя оптические часы очень точны, они имеют тенденцию к значительным простоям из-за их технической сложности и конструкции прототипа. Исследователи из NIST использовали группу из восьми водородных мазеров, чтобы следить за временем, когда оптические часы не работали. Мазеры, похожие на лазеры, работающие в микроволновом спектральном диапазоне, могут надежно измерять время, но имеют ограниченную точность.
«Стабильность мазеров - одной из лучших шкал локального времени в мире - является одной из причин, по которым мы смогли выполнить такое точное сравнение с цезием», - сказал Том Паркер, член исследовательской группы.. Они еще больше уменьшили неопределенность, проведя 79 измерений в течение 8 месяцев. Впервые за столь длительный период времени сообщается об измерениях оптических часов.
Чтобы лучше понять ограничения оптических часов, исследователи планируют сравнить иттербиевые оптические часы, используемые в этом исследовании, с другими типами оптических часов, разрабатываемых в NIST. В конце концов, часы NIST можно было сравнить с оптическими часами в других странах, чтобы определить, какие типы часов лучше всего подходят для переопределения секунды SI.
Исследователи отмечают, что до переопределения длины секунды еще несколько лет. Даже если он изменится, применение нового стандарта потребует технологии, которая лучше соединяет и передает сигналы от оптических часов по всему миру таким образом, чтобы поддерживать стабильность и точность времени.