Точное хронометрирование имеет большое потенциальное влияние на передовые технологии связи, определения местоположения (например, GPS) и многие другие технологии. Помимо соблюдения графика будущих технологий, у часов есть потенциальные приложения, которые выходят далеко за рамки простого отсчета времени.
Примеры включают чувствительный альтиметр, основанный на изменениях силы тяжести, и эксперименты, исследующие квантовые корреляции между атомами.
Как описано в Nature Communications, экспериментальные часы на решетке из стронция в JILA, совместном институте NIST и Университета Колорадо в Боулдере, теперь более чем в три раза точнее, чем в прошлом году, когда они установили предыдущий мировой рекорд. Точность означает, насколько близко часы подходят к истинной резонансной частоте, на которой атомы стронция колеблются между двумя электронными уровнями энергии.
Стабильность часов – насколько точно каждый тик соответствует другому – также была улучшена почти на 50 процентов, что является еще одним мировым рекордом.
Часы JILA теперь достаточно хороши, чтобы измерять крошечные изменения во времени и силу тяжести на немного разных высотах. Эйнштейн предсказал эти эффекты в своих теориях относительности, которые, помимо прочего, означают, что часы тикают быстрее на больших высотах. Многие ученые продемонстрировали это, но с помощью менее чувствительных методов.
«Наши характеристики означают, что мы можем измерить гравитационный сдвиг, когда вы поднимете часы всего на 2 сантиметра над поверхностью Земли», – говорит сотрудник JILA / NIST Джун Йе. "Я думаю, что мы очень близки к тому, чтобы быть полезными для релятивистской геодезии."
Релятивистская геодезия – это идея использования сети часов в качестве датчиков силы тяжести для точных трехмерных измерений формы Земли.
Йе соглашается с другими экспертами в том, что, когда часы могут обнаруживать гравитационное смещение при разнице в высоте в 1 сантиметр – чуть лучше, чем текущие характеристики – их можно использовать для получения более частых геодезических обновлений, чем это возможно с помощью традиционных технологий, таких как приливные и отливные волны. датчики и гравиметры.
В часах JILA / NIST несколько тысяч атомов стронция удерживаются в «оптической решетке», столбце размером 30 на 30 микрометров, состоящем примерно из 400 областей в форме блинов, образованных интенсивным лазерным светом. Ученые JILA и NIST обнаруживают «клещей» стронция (430 триллионов в секунду), погружая атомы в очень стабильный красный лазерный свет с точной частотой, которая вызывает переключение между уровнями энергии.
Группа JILA внесла последние улучшения с помощью исследователей из штаб-квартиры NIST в Мэриленде и Объединенного квантового института (JQI). Эти исследователи внесли улучшенные измерения и вычисления, чтобы уменьшить погрешности часов, связанные с теплом из окружающей среды, называемым излучением черного тела. Электрическое поле, связанное с излучением черного тела, изменяет реакцию атомов на лазерный свет, добавляя неопределенности к измерению, если его не контролировать.
Чтобы помочь измерить и поддерживать тепловую среду атомов, Уэс Тью и Грег Строус из NIST откалибровали два платиновых термометра сопротивления, которые были установлены в вакуумной камере часов в Колорадо.
Исследователи также построили радиационный экран вокруг атомной камеры, который позволил часам работать при комнатной температуре, а не при более низких, криогенных температурах.
«Часы работают при нормальной комнатной температуре», – отмечает Йе. «На самом деле это одна из самых сильных сторон нашего подхода, поскольку мы можем управлять часами в простой и нормальной конфигурации, сохраняя при этом неопределенность сдвига излучения черного тела на минимальном уровне."
Кроме того, теоретик JQI Марианна Сафронова использовала квантовую теорию атомной структуры для расчета частотного сдвига из-за излучения черного тела, что позволило команде JILA лучше исправить ошибку.
* Для этого рисунка NIST преобразует систематическую или дробную общую неопределенность атомных часов в ошибку, выраженную как 1 секунда, накопленная за определенный минимальный промежуток времени.
Это вычисляется путем деления 1 на систематическую погрешность часов, а затем деления этого результата на количество секунд в году (31.5 миллионов), чтобы найти приблизительное минимальное количество лет, которое потребуется для накопления 1 полной секунды ошибки. Часы JILA достигли более высокого уровня точности (меньшей погрешности), чем любые другие часы.