Самые точные в мире атомные часы физиков США – первый пример «мультиплексированных» оптических часов

18.02.2022, 09:35 Общество

Физики из Университета Висконсин-Мэдисон создали одни из самых эффективных атомных часов, как они объявили 16 февраля в журнале Nature, сообщает android-robot.com.

Их инструмент, известный как атомные часы на оптической решетке, может измерять разницу во времени с точностью, эквивалентной потере всего одной секунды каждые 300 миллиардов лет, и является первым примером «мультиплексированных» оптических часов, в которых шесть отдельных часов могут существовать в одной точке. такая же среда. Его конструкция позволяет команде тестировать способы поиска гравитационных волн, пытаться обнаружить темную материю и открывать новую физику с помощью часов.

«Часы на оптической решетке уже являются лучшими часами в мире, и здесь мы получаем такой уровень производительности, которого никто раньше не видел», — говорит Шимон Колковиц, профессор физики UW-Madison и старший автор исследования. «Мы работаем как над улучшением их производительности, так и над разработкой новых приложений, которые станут возможными благодаря этой повышенной производительности».

Атомные часы настолько точны, потому что они используют фундаментальное свойство атомов: когда электрон меняет энергетический уровень, он поглощает или излучает свет с частотой, одинаковой для всех атомов определенного элемента. Оптические атомные часы отсчитывают время с помощью лазера, точно настроенного на эту частоту, и для точного отсчета времени им требуются одни из самых сложных в мире лазеров.

Для сравнения, у группы Колковица «относительно паршивый лазер», говорит он, поэтому они знали, что любые часы, которые они построили, сами по себе не будут самыми точными и точными. Но они также знали, что для многих последующих применений оптических часов потребуются портативные коммерчески доступные лазеры, подобные их. Разработка часов, которые могли бы использовать обычные лазеры, была бы благом.

В своем новом исследовании они создали мультиплексированные часы, в которых атомы стронция можно разделить на несколько часов, расположенных в одну линию в одной и той же вакуумной камере. Используя всего лишь одни атомные часы, команда обнаружила, что их лазер надежно возбуждает электроны в том же количестве атомов только в течение одной десятой секунды.

Однако, когда они одновременно посветили лазером на двое часов в камере и сравнили их, количество атомов с возбужденными электронами оставалось одинаковым между двумя часами до 26 секунд. Их результаты означали, что они могли проводить значимые эксперименты гораздо дольше, чем позволял их лазер в обычных оптических часах.

«Обычно наш лазер ограничивал бы производительность этих часов», — говорит Колковиц. «Но поскольку часы находятся в одной и той же среде и испытывают точно такой же лазерный свет, эффект лазера полностью исчезает».

Затем группа спросила, как точно они могут измерить разницу между часами. Две группы атомов, находящихся в немного разных средах, будут двигаться с несколько разной скоростью в зависимости от гравитации, магнитных полей или других условий.

Они провели свой эксперимент более тысячи раз, измерив разницу в частоте хода своих двух часов в общей сложности около трех часов. Как и ожидалось, поскольку часы находились в двух немного разных местах, их тиканье немного отличалось. Команда продемонстрировала, что по мере того, как они проводили все больше и больше измерений, им удавалось лучше измерять эти различия.

В конце концов, исследователи смогли обнаружить разницу в скорости хода двух часов, которая соответствовала бы их расхождению друг с другом всего на одну секунду каждые 300 миллиардов лет — измерение точного хронометража, которое устанавливает мировой рекорд для двух пространственно разделенных часов.

Это также было бы мировым рекордом по самой точной разнице частот, если бы не другая статья, опубликованная в том же номере журнала Nature. Это исследование было проведено группой из JILA, исследовательского института в Колорадо. Группа JILA обнаружила разницу частот между верхом и низом рассеянного облака атомов примерно в 10 раз лучше, чем группа UW-Madison.

Их результаты, полученные на расстоянии одного миллиметра, также представляют собой кратчайшее на сегодняшний день расстояние, на котором общая теория относительности Эйнштейна была проверена с помощью часов. Группа Колковица планирует вскоре провести аналогичный тест.

«Удивительно то, что мы продемонстрировали такую ​​же производительность, как и группа JILA, несмотря на то, что мы используем лазер на несколько порядков хуже», — говорит Колковиц. «Это действительно важно для многих реальных приложений, где наш лазер выглядит намного больше, чем то, что вы использовали бы в полевых условиях».

Чтобы продемонстрировать потенциальное применение своих часов, команда Колковица сравнила изменения частоты между каждой парой из шести мультиплексированных часов в цикле. Они обнаружили, что разница в сумме равна нулю, когда они возвращаются к первым часам в петле, подтверждая согласованность их измерений и устанавливая возможность обнаружения крошечных изменений частоты в этой сети.

«Представьте, что облако темной материи проходит через сеть часов — есть ли способ увидеть эту темную материю в этих сравнениях?» — спрашивает Колковиц. «Это эксперимент, который мы можем провести сейчас, и который вы просто не могли провести ни в одной из предыдущих экспериментальных систем».