Точность атомных часов удалось увеличить примерно на порядок за счет подавления межатомных взаимодействий при создании трехмерной 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