Сконструированные физиками из Национального института стандартов и технологий (США) оптические атомные часы накапливают ошибку в одну секунду более чем за 3,7 млрд лет.

Ионная ловушка, используемая в новых часах (фото авторов работы).

Нынешний американский эталон частоты и времени — цезиевые часы NIST-F1 — ошибается на секунду «всего» за 100 млн лет.

Столь значительное улучшение характеристик объясняется использованием иона алюминия ²⁷Al⁺, у которого интересующий ученых переход ¹S₀ — ³Р₀ совершается на частоте в 1,121 ПГц. Соответствующая частота в случае цезия равняется лишь 9,2 ГГц — а значит, такие часы делят секунду на меньшее число частей и обеспечивают меньшую точность.

Новое устройство стало вторым в серии так называемых часов с квантовой логикой. В первом варианте, представленном в 2008 году, также использовался ион алюминия, который исследователи располагали в электромагнитной ловушке на расстоянии четырех тысячных долей миллиметра от иона ⁹Ве⁺, испускающего фотоны в условиях эксперимента. Под действием лазерного излучения с частотой, соответствующей частоте перехода, ион Al⁺ «перепрыгивает» в новое энергетическое состояние («1»), однако при недостаточном согласовании параметров излучения его состояние («0») не изменяется. В последнем случае при использовании дополнительных лазерных импульсов можно добиться того, что испускание бериллием фотонов прекратится; регистрируя это событие, ученые определяют, что ион алюминия остался в состоянии «0». Если же подача дополнительных импульсов не останавливает излучение, определяется состояние «1».

Суть эксперимента сводится к точной подстройке частоты лазера, воздействие которого вызывает переход «0» — «1». Ее измерение выполняется по методу «гребенки частот».

В обсуждаемом варианте этих часов бериллий заменен ионом ²⁵Mg⁺, который в большей степени соответствует алюминию по массе. Физики 56 раз сравнили два созданных ими устройства, варьируя длительность периода сравнения от 15 минут до 3 часов, и выяснили, что они «тикают» практически с одинаковой частотой, однако новый вариант более чем вдвое превосходит старый по точности.

Такие часы уже сейчас применяются для оценки возможных изменений некоторых фундаментальных физических констант (к примеру, постоянной тонкой структуры).

Полная версия отчета ученых будет опубликована в журнале Physical Review Letters; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.

Подготовлено по материалам Национального института стандартов и технологий.