Американські фізики підвищили точність визначення частоти атомних годинників у півтора рази. Тепер вона досягає 2,5 ст.1 10 ‑ 19, що відповідає накопиченню помилки в 1 секунду за кілька сотень мільярдів років. Домогтися цього вдалося за рахунок одночасного вимірювання квантового стану декількох тисяч атомів стронцію, складених у впорядковану тривимірну решітку. Така точність дозволить використовувати ці години, наприклад, для детектування гравітаційних хвиль, пишуть вчені в.
Атомний годинник - найбільш точний на даний момент інструмент для вимірювання часу. Він заснований на визначенні частоти періодичних електронних переходів між збудженим і основним енергетичними рівнями в атомах лужних або лужноземельних металів. Стабільність роботи атомних годин визначається ставленням відхилення частоти від свого початкового значення до самої частоти і для більшості атомних годин становить близько 10-15.
Максимально точний на сьогоднішній день атомний годинник являє собою тривимірні решітки з атомів стронцію, конфігурація яких зафіксована за допомогою лазерних пасток, і невизначеність визначення їх точності становить приблизно 10-18. Ці вимірювання засновані на визначенні частоти переходу в окремих атомах стронцію, які знаходяться в стані виродженого Фермі-газу. При цьому вчені вважають, що якщо точність визначення частоти електронних переходів можна додатково підвищити за рахунок аналізу пов'язаних квантових станів усіх атомів в решітці, то атомні годинники можуть значно розширити область своїх застосувань. Зокрема, передбачається, що за допомогою них можна буде виміряти гравітаційне червоне зміщення, і для цього буде достатньо лише вакуумної камери.
У своїй новій роботі та ж група вчених, яка створила найточніші стронцієві атомні годинники, під керівництвом Юна Йе (Jun Ye) з Національного інституту стандартів і технологій США (NIST) розробила метод підвищення точності вимірювання частоти енергетичних переходів, визначаючи квантовий стан атомів стронцію в тривимірній решітці з рекордною просторовою роздільною роздільною здатністю. Запропонований фізиками метод поєднує в собі оптичну спектроскопію і мікроскопію високої роздільної здатності.
За допомогою цього методу фізики досліджували систему, що складається з приблизно 10 мільйонів атомів стронцію-87, охолоджених лазером до температури 3 мікрокельвіна. Завдяки використанню оптичних пасток з тієї частини атомів, яка перебувала в потрібному спиновому стані (їх було близько 10 тисяч), вчені вибудували впорядковану тривимірну решітку, зовнішнім магнітним полем орієнтували їхні спини, після чого лазерними імпульсами перевели атоми в збуджений стан. Після цього за допомогою методу спектроскопії поглинання у видимій області вчені побудували карти розподілу квантового стану атомів у решітках атомного годинника.
Просторовий дозвіл методу склав 1,1 мікрометра і дозволив визначити квантовий стан кожного атома в тривимірній оптичній решітці в кожен момент часу. Згідно з даними вимірювань, час когеренції атомів в решітці в середньому становить близько 4 секунд, а в окремих випадках може досягати і 15 секунд. При цьому за рахунок того, що одночасно можна проаналізувати тисячі атомів, які знаходяться в когерентному стані, вченим вдалося значно підвищити і точність визначення частоти переходів, а саме вона в такій системі визначає і стабільність роботи атомних годин.
Фізики провели близько тисячі вимірювань протягом шести годин, за результатами яких вирахували невизначеність при вимірюванні частоти атомних годин. Вона склала 2,5 ст.1 10 ‑ 19, що приблизно в півтора рази краще попереднього рекорду. З урахуванням того, що частота самих годин становить 429 терагерць, така точність визначення частоти відповідає абсолютній невизначеності в 100 мікрогерць.
За твердженням авторів роботи, отримані результати можуть використовуватися для вивчення фундаментальних ефектів квантової фізики та вивчення явищ у системах з декількох або багатьох тіл. Можливими способами використання таких систем вчені називають детектування гравітаційних хвиль, а також дослідження взаємозв'язку квантової механіки і загальної теорії відносності на міліметровому масштабі.
Оскільки атомний годинник базується на визначенні частоти періодичних електронних переходів в атомі, то зробити з них механічну коливальну систему з наочним способом вимірювання часу неможливо. Найточніший механічний годинник зробив нещодавно група фізиків з Австрії та Німеччини. Роль стрілок у них виконують левитуючі кремнієві циліндри. Точність таких годин приблизно на 8 порядків менше, ніж атомних, проте і для таких годин помилка в одну секунду набігла б при їх безперервній роботі приблизно за 11 тисяч років.