Что может быть точнее самых точных атомных часов?
Конечно, двое атомных часов в "одном флаконе". Именно эту идею
использовали ученые-физики из Национального института стандартов и технологии (National Institute of Standards and Technology, NIST) создавшие часы, имеющие два
хронометрических элемента на основе атомов иттербия. И эти часы имеют рекордный
на сегодняшний день показатель точности и стабильность, что позволит при их
помощи производить проверку значений базовых физических констант, поиски темной
материи и многое другое.
"Создавая новые часы, мы устранили один из
критических типов помех, что позволило нам получить более сильный сигнал от
хронометрических элементов" - рассказывает Эндрю Ладлоу (Andrew Ludlow), ученый-физик из NIST. Мы получили значение стабильности в
1.5 квинтилионной (10^-18) секунды, что ненамного лучше предыдущего рекордного
показателя стабильности часов, полученного нами несколько лет назад. Но наши
нынешние часы работают как минимум в 10 раз быстрее, чем любые
предыдущие".
Атомы иттербия и стронция, используемые в оптических
атомных часах, колеблются с частотами, находящимися в оптическом диапазоне, что
намного выше микроволновых частот, использующихся в обычных атомных часах.
Облака этих атомов освещаются светом высокостабильного лазера, что заставляет
атомы переходить из одного энергетического состояния в более высокое и
наоборот. Второй лазер используется для определения частоты этих переходов и
эта частота является сигналом хронометрического элемента. Естественно, любая
помеха или неопределенность, затрагивающая этот "хрупкий" процесс,
сбивает частоту и снижает точность хронометрирования.
Обычно оптические атомные часы имеют так называемый
"мертвый" промежуток времени, в течение которого группа атомов
подготавливается к работе и производятся измерения частоты. Время в этот момент
продолжает отсчитываться по предыдущим показаниям часов, что не позволяет провести
его коррекцию и компенсацию. Этот эффект, наблюдавшийся впервые в 1990-х годах,
до последнего времени ограничивал стабильность и точность атомных оптических
часов.
Новые часы имеют нулевое значение мертвого промежутка
времени, из-за чего они получили название ZDT (zero dead time). Это было достигнуто путем
использования двух хронометрических элементов, которые работают поочередно. В
любой из моментов времени один из элементов обеспечивает функцию
хронометрирования часов, а второй элемент подготавливается к работе. В первом
хронометрическом элементе используется "ансамбль" из 5 тысяч атомов
иттербия, а во втором - из 10 тысяч атомов, каждый из которых пойман в узлах
сетки из лазерного света, так называемой оптической решетки.
Вполне естественно, что измерения времени и их коррекция
производятся в новых часах в два раза быстрее, нежели в любых других часах с
одним хронометрическим элементом. Из-за отсутствия промежутка мертвого времени
такие часы выходят на их рекордный уровень стабильности в 10 раз быстрее, и
теперь точность этих часов ограничена точностью работы их "атомной"
системы, а не стабильностью лазера, как это было прежде.
Еще одним интересным фактом является то, что новые
"двойные" атомные часы сделаны достаточно компактными и этот аппарат
может эксплуатироваться вне стен лабораторий. "В скором времени мы сделаем
часы еще более компактными, используя одну общую вакуумную установку и более
простые лазерные системы" - рассказывает Эндрю Ладлоу, - "И после
этого такие часы можно будет даже отправлять в космос".
