Тривимірні оптичні решітки збільшили точність атомних годин

Точність атомного годинника вдалося збільшити приблизно на порядок за рахунок придушення міжатомних взаємодій при створенні тривимірної решітки. Вчені з Національного інституту стандартів і технологій США (NIST) продемонстрували це на щільній тривимірній решітці, складеній з 3 тисяч атомів стронцію. Робота опублікована в.

Атомний годинник є найбільш точним на даний момент приладом для вимірювання часу. Їх дія заснована на вимірюванні періодичних сигналів при електронних переходах між двома енергетичними рівнями, утвореними в результаті надтонкого розщеплення. Ще в 1967 році атомний годинник на основі ізотопу цезію-133 став використовувати як стандарт часу. Зараз еталон секунди визначається як час 9 192 631 770 електронних переходів в атомі цезію. Точність роботи атомних годин визначається ставленням відхилення частоти переходу за певний проміжок часу до самої частоти, і останні роки її вдається постійно збільшувати. Це відбувалося за рахунок зниження фонового випромінювання при зменшенні температури, використання атомних фонтанів або заміни цезію на іттербій. До теперішнього моменту максимальна точність атомних годин становить близько 10^-17, що означає накопичення помилки в одну секунду за кілька сот мільйонів років.

У своєму новому дослідженні вчені з США запропонували використовувати для атомного годинника тривимірну решітку з атомів стронцію, частота електронних переходів в якому на кілька порядків більше, ніж у цезії. За допомогою систем лазерного охолодження вчені змогли створити щільну тривимірну решітку з декількох тисяч атомів, в якій положення кожного атома було суворо зафіксовано. Це дозволило вченим точно контролювати взаємодію між атомами.

Кількість атомів, які раніше використовувалися в атомних годинах, що складаються з одномірних решіток, визначалася балансом між стійкістю роботи годин (вона підвищується при збільшенні кількості атомів) і точністю (вона падає через велику кількість міжатомних взаємодій). На відміну від одномірної, тривимірна решітка великої щільності дозволяє отримати вироджений фермі-газ, який утворюється, якщо тотожні частинки знаходяться на відстані менше їх довжини хвилі де Бройля один від одного. Це призводить до зниження впливу міжатомних взаємодій і дозволяє зменшити систематичну помилку атомних годин.

Оцінивши дисперсію Аллана для частоти переходів у створених решітках з різної кількості атомів стронцію, вченим вдалося показати, що збільшення числа атомів в решітці призводить до помітного збільшення точності годин. Для максимального числа атомів вдалося домогтися того, що з 10 квінтильйонів (це 10¹⁹) «тіків» таких стронцієвих годин тільки 3 з половиною були не синхронізовані. Це призвело до того, що систематичну помилку вдалося знизити до рівня нижче, ніж 10^-18.

Нещодавно вчені показали, що максимальна точність квантових годин може визначатися не тільки їх інструментальною реалізацією, але обмежуватися термодинамічними принципами.