Небольшая исследовательская группа из Национального университета Сингапура построила самые точные в мире атомные часы и может переписать определение секунды.
Команда физиков из Национального университета Сингапура (NUS) разработала атомные часы, которые, по их словам, превосходят все предыдущие рекорды. Часы, основанные на редкоземельном металле лютеции, настолько точны, что отстают всего на одну секунду за 260 миллиардов лет – примерно в 20 раз старше Вселенной. Результаты были опубликованы 23 сентября в журнале Природа опубликовано.
Подробности читайте после объявления
Часы в четыре раза точнее предыдущего рекордсмена — кальциево-ионных часов Китайской академии наук в Ухане. Они также превосходят алюминиево-ионные часы Национального института стандартов и технологий США (NIST), которые были представлены только в прошлом году. По сравнению с его непосредственным предшественником это соответствует улучшению на 41 процент, измеренному до 19 знаков после запятой.
Руководитель группы Мюррей Барретт сказал, что не понимает, как их часы можно превзойти в будущем, ссылаясь на необычную устойчивость лютеция к колебаниям температуры и магнитным полям.
Часы будут оставаться стабильными «от самого жаркого зарегистрированного места на Земле в Долине Смерти до самого холодного места на Антарктическом плато», сказал Барретт в заявлении университета.
Лютеций как исключительный случай среди элементов
Атомные часы существуют с 1950-х годов. В первых моделях использовался радиоактивный изотоп цезий-133, который до сих пор используется в качестве основы для официального определения второго: в 1968 году Международное бюро мер и весов (BIPM) определило, что одна секунда соответствует ровно 9,19 миллиардам колебаний атома цезия-133. С тех пор исследователи использовали другие элементы, такие как иттербий и стронций, для создания еще более точных часов. Атомные часы теперь необходимы для систем GPS, телекоммуникаций и военных технологий.
Сингапурская команда утверждает, что это единственная группа в мире, которая использует лютеций для атомных часов. Элемент обладает особым свойством: ион лютеция может оставаться в возбужденном состоянии около недели — для стронция это всего несколько минут. Это дает исследователям значительно больше времени для точного измерения частоты колебаний.
Подробности читайте после объявления
Барретт сравнил задачу создания таких часов с ультрамарафоном: «Наша задача — убедиться, что бегун преодолеет дистанцию. Оказывается, лютеций — прирожденный спортсмен, выносливый», — рассказал он журналу. Живая наука. Его команда также разработала метод под названием «Сверхтонкое усреднение», который в значительной степени нейтрализует воздействия окружающей среды, такие как гравитационные поля, и, таким образом, сводит колебания измерения времени к минимуму.
Два часа в сравнении
Чтобы проверить точность, исследователи построили два независимых лютециевых часа и сравнили их напрямую друг с другом. После 200 часов измерений оба оказались в пределах 5,7 частей на 10¹⁹ — это самое точное прямое сравнение двух атомных часов, когда-либо зарегистрированное.
Исследовательская работа продолжалась около десяти лет. Барретт похвалил Центр квантовых технологий НУС за поддержку проекта на раннем этапе, когда он все еще казался рискованным, а также финансирующие агентства Сингапура за их постоянную поддержку. По его словам, для создания атомных часов не требуется большой команды, но было бы сложно даже запустить такой проект.
Переосмысление второго
Практические последствия проекта могут быть далеко идущими. МБМВ планирует переписать определение секунды в 2030 году на основе современной технологии атомных часов. Лютеций в настоящее время считается наиболее многообещающим кандидатом на роль этого нового стандарта.
Кроме того, точность часов открывает новые возможности для фундаментальных исследований. По мнению Барретта, такие часы могут помочь выяснить, действительно ли физические константы, такие как гравитационная постоянная, остаются неизменными. «Существуют предположения, что фундаментальные константы действительно могут меняться», — сказал он. «Сверхточные часы дают нам инструменты для исследования этого вопроса».
Команда также написала, что часы могут послужить инструментом для проверки общей теории относительности Эйнштейна и поиска темной материи.
В качестве следующего шага исследователи планируют уменьшить размеры часов, чтобы их можно было выносить из лаборатории как мобильную систему без потери точности.
