Это устройство, известное как атомные часы на оптической решетке, способно измерять разницу во времени с точностью, эквивалентной потере одной секунды каждые 300 миллиардов лет. Новые часы являются первым реальным примером «мультиплексированных» оптических часов.
«Часы на оптической решетке уже являются лучшими часами в мире — мы получили такой уровень производительности, которого никто раньше не видел. Мы работаем как над улучшением их производительности, так и над разработкой новых приложений, которые станут возможными благодаря этой повышенной производительности», — рассказал старший автор исследования, профессор физики UW-Madison Шимон Колковиц.
Возникает вопрос — что делает атомные часы такими точными. Когда энергетические уровни электрона колеблются, они реагирует поглощением или излучением света с одинаковой частотой, связанной со всеми атомами определенного элемента. Оптические атомные часы точно отслеживают время, используя лазер, настроенный на соответствие этим частотам. Это невероятно сложный процесс, для которого требуются самые совершенные в мире лазеры.
Ученые под руководством Колковица создали мультиплексированные часы, которые позволяют разделить атомы стронция на несколько часов, расположенных в линию в одной вакуумной камере. Они отметили, что с одними атомными часами их лазер был способен надежно возбуждать электроны в том же количестве атомов только в течение одной десятой секунды. Но когда тот же лазер был направлен на двое часов в камере одновременно, количество атомов с возбужденными электронами оставалось одинаковым между двумя часами целых 26 секунд.
Затем исследователи хотели выяснить, насколько точно они могут измерить разницу между часами. Ученые провели свой эксперимент более 1000 раз. Как и предполагалось, тиканье часов немного отличалось (из-за двух немного разных мест). По мере того, как регистрировалось все больше и больше измерений, исследовательская группа смогла лучше понять и посчитать эти колебания. К концу процесса, ученые смогли сузить эту разницу в тикании между двумя часами до скорости их отклонения друг от друга всего на одну секунду каждые 300 миллиардов лет. Такое точное измерение точного хронометража устанавливает новый мировой рекорд для двух пространственно разнесенных часов.
Эта работа установила бы еще один мировой рекорд по самой точной разнице частот, если бы не другое исследование, опубликованное в том же номере журнала Nature. Этот проект, возглавляемый JILA (исследовательским институтом в Колорадо), обнаружил разницу частот между верхом и низом рассеянного облака атомов примерно в 10 раз точнее, чем группа ученых UW-Madison.
Результаты группы JILA, полученные на расстоянии одного миллиметра, также представляют собой кратчайшее расстояние, на котором общая теория относительности Альберта Эйнштейна была проверена с помощью часов. Команда профессора Колковица планирует провести аналогичную работу в ближайшем будущем.
«Удивительно то, что мы продемонстрировали такую же производительность, как и группа JILA, несмотря на то, что мы используем лазер на несколько порядков хуже», — прокомментировал исследование профессор Колковиц.
Чтобы лучше продемонстрировать все возможные варианты использования своих часов, исследовательская группа сравнила изменения частоты между каждой парой из шести мультиплексированных часов в цикле. Это привело к открытию того, что разница в сумме равна нулю при возврате первых часов в цикл. Наблюдение подтверждает точность и согласованность измерений, открывая дверь для обнаружения крошечных изменений частоты в этой сети.
Читать далее
Активность умирающего мозга впервые записали: это похоже на сон или углубленную медитацию
Появилась батарея размером с крупицу соли. Она может питать устройства 10 часов
Астрономы нашли новый объект Солнечной системы за орбитой Нептуна