Что может быть точнее самых сточных атомных часов? Конечно, двое атомных часов в «одном флаконе». Именно эту идею использовали ученые-физики из Национального института стандартов и технологии (National Institute of Standards and Technology, NIST) создавшие часы, имеющие два хронометрических элемента на основе атомов иттербия. И эти часы имеют рекордный на сегодняшний день показатель точности и стабильность, что позволит при их помощи производить проверку значений базовых физических констант, поиски темной материи и многое другое.
«Создавая новые часы, мы устранили один из критических типов помех, что позволило нам получить более сильный сигнал от хронометрических элементов» — рассказывает Эндрю Ладлоу (Andrew Ludlow), ученый-физик из NIST. Мы получили значение стабильности в 1.5 квинтилионной (10^-18) секунды, что ненамного лучше предыдущего рекордного показателя стабильности часов, полученного нами несколько лет назад. Но наши нынешние часы работают как минимум в 10 раз быстрее, чем любые предыдущие».
Атомы иттербия и стронция, используемые в оптических атомных часах, колеблются с частотами, находящимися в оптическом диапазоне, что намного выше микроволновых частот, использующихся в обычных атомных часах. Облака этих атомов освещаются светом высокостабильного лазера, что заставляет атомы переходить из одного энергетического состояния в более высокое и наоборот. Второй лазер используется для определения частоты этих переходов и эта частота является сигналом хронометрического элемента. Естественно, любая помеха или неопределенность, затрагивающая этот «хрупкий» процесс, сбивает частоту и снижает точность хронометрирования.
Обычно оптические атомные часы имеют так называемый «мертвый» промежуток времени, в течение которого группа атомов подготавливается к работе и производятся измерения частоты. Время в этот момент продолжает отсчитываться по предыдущим показаниям часов, что не позволяет провести его коррекцию и компенсацию. Этот эффект, наблюдавшийся впервые в 1990-х годах, до последнего времени ограничивал стабильность и точность атомных оптических часов.
Новые часы имеют нулевое значение мертвого промежутка времени, из-за чего они получили название ZDT (zero dead time). Это было достигнуто путем использования двух хронометрических элементов, которые работают поочередно. В любой из моментов времени один из элементов обеспечивает функцию хронометрирования часов, а второй элемент подготавливается к работе. В первом хронометрическом элементе используется «ансамбль» из 5 тысяч атомов иттербия, а во втором — из 10 тысяч атомов, каждый из которых пойман в узлах сетки из лазерного света, так называемой оптической решетки.
Вполне естественно, что измерения времени и их коррекция производятся в новых часах в два раза быстрее, нежели в любых других часах с одним хронометрическим элементом. Из-за отсутствия промежутка мертвого времени такие часы выходят на их рекордный уровень стабильности в 10 раз быстрее, и теперь точность этих часов ограничена точностью работы их «атомной» системы, а не стабильностью лазера, как это было прежде.
Еще одним интересным фактом является то, что новые «двойные» атомные часы сделаны достаточно компактными и этот аппарат может эксплуатироваться вне стен лабораторий. «В скором времени мы сделаем часы еще более компактными, используя одну общую вакуумную установку и более простые лазерные системы» — рассказывает Эндрю Ладлоу, — «И после этого такие часы можно будет даже отправлять в космос».
Источник:
