Атомний годинник на основі хімічного елемента лютецію, створений у Центрі квантових технологій (CQT) Національного університету Сінгапуру, встановив новий рекорд точності вимірювання часу. Як повідомляє SciTechDaily, перехідна частота годинника була виміряна з точністю до 19-го знака після коми, з невизначеністю лише 1 × 10⁻¹⁹ — це найкращий показник серед усіх оптичних атомних годинників на сьогодні.

Керівник команди, головний дослідник CQT та доцент кафедри фізики університету Мюррей Барретт (Murray Barrett) вважає, що наразі їхня установка є найточнішим годинником у світі. Така точність відкриває нові можливості не лише для визначення еталонної секунди, а й для надточних вимірювань гравітаційних ефектів.

Чому саме лютецій підходить для надточного годинника

Атомні годинники працюють, фіксуючи частоту «атомного переходу» — подію, коли електрон в атомі переходить між енергетичними рівнями з певною сталою частотою. Лазер налаштовують у резонанс із цією так званою годинниковою лінією, і коливання його світла відміряють час подібно до маятника у механічному годиннику.

У годиннику CQT за еталон слугує один електрично заряджений атом (іон) лютецію-176 (¹⁷⁶Lu⁺). Його перехідна частота узгоджується з лазером із довжиною хвилі 848 нанометрів.

Зазвичай на частоту атомного переходу впливають зміни температури та магнітні поля, і ці зсуви потрібно точно враховувати, щоб оцінити реальну точність годинника. Лютецій вирізняється тим, що його «годинниковий» перехід майже не реагує ані на температуру, ані на магнітні впливи. Це забезпечує надзвичайно стабільне посилання навіть у різних умовах.

За словами Барретта, лютецієвий годинник залишатиметься стабільним, навіть якщо перенести його від найспекотнішого місця на Землі, Долини Смерті, до найхолодніших районів Антарктичного плато. Команда почала вивчати лютецій понад десять років тому, припускаючи, що його властивості можуть вивести точність хронометрії на новий рівень.

Щоб перетворити цю ідею на реальний годинник, знадобилися роки тонкої інженерії та детальних вимірювань атомних характеристик. Дослідники також розробили спеціальний метод «гіпер тонкого усереднення» (hyperfine averaging), щоб оптимально визначити годинниковий перехід. За їхніми словами, наразі вони залишаються єдиною групою, яка використовує лютецій саме для точного відліку часу.

Два годинники і міліметри, що змінюють хід часу

Команда побудувала два лютецієвих годинники й порівнювала їхній хід протягом близько 200 годин, застосувавши метод кореляційної спектроскопії. Результат: розбіжність між двома пристроями виявилася не більшою за 5,7 × 10⁻¹⁹ — це найточніше порівняння атомних годинників, про яке коли-небудь повідомляли.

Співавтор роботи, старший науковий співробітник CQT Кайл Арнольд (Kyle Arnold) нагадав відому іронічну фразу: чоловік з одним годинником «знає», котра година, а з двома — ніколи не певен. Саме тому, пояснює він, єдиний спосіб перевірити точність стандарту часу — порівнювати годинники між собою й доводити відтворюваність результатів.

Точність на рівні 10⁻¹⁹ робить годинники настільки чутливими до гравітації, що вони можуть фіксувати уповільнення часу на відстані всього в кілька міліметрів по висоті. Згідно із загальною теорією відносності, в сильнішому гравітаційному полі час іде повільніше, тож годинники на різних висотах цокає по-різному.

Порівняння двох лютецієвих годинників CQT дозволяло б виявити різницю у висоті близько 5 міліметрів між ними, навіть якщо вони стоять на одному столі. Щоб ця різниця не спотворювала результати, дослідники окремо виміряли відносну висоту двох іонів лютецію з точністю менше міліметра.

Така чутливість до гравітації ускладнює й звіряння лютецієвого годинника з іншими провідними атомними годинниками світу. Відмінності в гравітаційному полі на різних ділянках Землі поки що відомі недостатньо добре, аби повністю відокремити їхній внесок від можливих відмінностей у роботі самих годинників на такому рівні точності.

Барретт стверджує, що в майбутньому перевершити цей годинник буде вкрай складно.

Від цезієвої секунди до нових еталонів

Від 1960-х років еталонну секунду визначають за переходом атомів цезію, а цезієві годинники лежать в основі роботи GPS, телекомунікацій і транспортних систем. Оптичні атомні годинники, до яких належить і лютецієвий, використовують набагато вищі частоти переходів, тому за той самий інтервал часу вони «встигають» відрахувати більше коливань, що підвищує точність вимірювань.

Останні рекорди точності належали годинникам на основі ітербію, стронцію та алюмінію. Тепер команда CQT повідомляє, що годинник на іоні лютецію перевершив їхні показники.

У міру вдосконалення таких систем міжнародні організації, які відповідають за стандарти часу, розглядають можливість перевизначення секунди на основі оптичних годинників — очікується, що це може статися після 2030 року. Надвисока чутливість до гравітації потенційно дозволить застосовувати їх і поза лабораторіями, наприклад для моніторингу змін гравітаційного поля Землі.

Більш точні годинники також можуть допомогти перевіряти деякі фундаментальні фізичні теорії й виявляти тонкі ефекти, які досі залишаються поза межами можливостей сучасних експериментів.

Наступний крок — зробити годинник портативним

Співавтор дослідження, аспірант NUS Майкл Лі (Michael Lee), пояснює, що тепер команда планує перетворити лабораторний прототип на транспортований пристрій. Зменшення розмірів без втрати точності дозволить виносити такий годинник за межі лабораторії, проводити нові порівняння з іншими установками й випробовувати практичні застосування — від гравітаційної геодезії до високоточних навігаційних систем.

Дослідники переконані, що лютецієвий годинник має всі шанси стати одним із ключових кандидатів на майбутній еталон секунди та інструментом для нової ери надточних вимірювань часу й простору.