PRL: созданы часы, фиксирующие время с точностью до 19 знаков после запятой

Ученые из Национального института стандартов и технологий США (NIST) разработали самые точные атомные часы в мире. Устройство, работающее на ионе алюминия, может измерять время с точностью до 19 знаков после запятой. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters (PRL).

Современные оптические часы оцениваются по двум основным показателям: точности — приближенности к эталонному времени, и стабильности — тому, насколько ровно идет отсчет.

Новая разработка оказалась не только на 41% точнее предыдущих ионных часов, но и в 2,6 раза стабильнее. Такие результаты были получены в ходе 20 лет доработок и совершенствования всех компонентов — от лазеров до вакуумной камеры.

Главным элементом новых часов стал ион алюминия, обладающий исключительно стабильной частотой "тиканья".

"Алюминий оказался даже лучше традиционного цезия, на котором основан нынешний международный эталон времени: он меньше реагирует на внешние факторы, вроде температуры и магнитных полей", - объяснил один из руководителей проекта, физик Дэвид Хьюм.

Использовать алюминий оказалось непросто — его трудно охлаждать и "заставить" работать с лазером. Поэтому исследователи добавили второй ион — магния. Он проще в управлении и "помогает" алюминию: охлаждает его и передает данные о его состоянии. Такая система называется квантовой логической спектроскопией.

"Магний и алюминий движутся вместе, и с помощью магния мы можем считывать поведение алюминия — так и работает наша "связка" ионов", — поясняет аспирантка Уилла Артур-Дворшак.

Чтобы достичь такой точности, ученым пришлось устранить множество физических помех. Например, ионы слегка двигались внутри ловушки из-за микроскопического электрического дисбаланса, что снижало точность.

Проблему решили, переработав покрытие электродов и укрепив основание конструкции с помощью алмазной пластины.

Еще одной неожиданной преградой стал водород, выделяющийся из стали стенок вакуумной камеры. Он сталкивался с ионами и мешал стабильной работе часов. Ученые заменили сталь на титан, что снизило уровень водорода в 150 раз. Теперь ловушку можно использовать несколько дней подряд, а раньше ее приходилось перезагружать каждые полчаса.

"Создавать такие часы — невероятно интересно. Мы работаем на передовой фундаментальной физики", — говорит ведущий автор работы, физик NIST Мейсон Маршалл.