Создание стронциевых оптических часов знаменует собой огромный прорыв в метрологии. Точность этого прибора такова, что за 30 миллиардов лет — срок, более чем в два раза превышающий возраст нашей Вселенной, — он накопит погрешность всего в одну секунду.
В Китае созданы сверхточные часы, которые задают новое определение секунды
Исследователи из Научно-технического университета Китая (USTC) разработали сверхточные часы на основе атомов стронция. Устройство способно измерять время с погрешностью до 19 знака после запятой. Эти часы позволяет достичь стабильности, необходимой для официального изменения мирового определения секунды в системе СИ.
Секундная стрелка указывает на 12. https://www.ticktockclocks.co.uk/
Почему цезий уступает в точности стронцию? Разница в точности между хорошо известными атомными часами и новыми оптическими заключается в частоте «тиков». Цезиевые часы совершают около 9 миллиардов колебаний в секунду. Это много, но оптические часы на стронции работают на частотах видимого света, где количество колебаний достигает 700 квадриллионов в секунду. Чем выше частота, тем на более мелкие отрезки можно разделить время и тем меньше вероятность ошибки. Это похоже на линейку: цезиевые часы — это линейка с сантиметровыми делениями, а оптические — с микронными. Именно этот переход от микроволн к свету позволяет ученым видеть те изменения в физическом мире, которые раньше оставались незамеченными из-за слишком грубого масштаба измерений.
До недавнего времени подобные показатели считались недостижимыми, однако китайским физикам удалось модернизировать установку и снизить неопределенность системы до недостижимого ранее уровня. В отличие от традиционных атомных часов, работающих на микроволновых частотах, оптические приборы используют свет видимого диапазона. Это позволяет совершать сотни квадриллионов «тиков» в секунду, обеспечивая гораздо более высокую плотность данных о ходе времени. Развитие таких технологий необходимо не только для уточнения времени, но и для фундаментальных научных изысканий.
Стронциевые оптические часы USTC.
Подобный уровень стабильности критически важен для реализации международных планов по пересмотру единиц измерения. Существующее определение секунды, принятое в 1967 году и основанное на колебаниях атома цезия-133, постепенно устаревает. Новые приборы на основе стронция на порядок превосходят цезиевые аналоги по разрешающей способности.
Для официальной смены определения секунды требуется, чтобы как минимум три независимых лаборатории подтвердили заданную точность на схожих установках. Но уже сейчас можно сказать, что китайская разработка стала тем самым недостающим звеном, которое приближает научное сообщество к моменту, когда Генеральная конференция по мерам и весам сможет утвердить новый стандарт секунды, ориентировочно намеченный на 2030 год. Работа опубликована в журнале Metrologia.
Путь к новому стандарту секунды
(a) Конфигурация научной камеры и решетчатой резонаторной системы. Три ортогональные пары лазеров образуют МОТ: две пары распространяются в плоскости xOz, одна — вдоль оси y. Резонаторная система оптической решетки (813 нм — высокочастотный / 698 нм — низкочастотный) состоит из двояковогнутой линзы и менисковой линзы. (b) Конфигурация системы тактовых лазеров. Диодный лазер с длиной волны 698 нм, синхронизированный по фазе с резонатором ULE, разделяется на три луча, обеспечивающих лучи, показанные на (a). AOM-1 используется для компенсации дрейфа частоты ультрастабильного лазера, а AOM-2 — для обратной связи с тактовым генератором. AOM-3 обеспечивает переход частоты для подготовки спинового состояния и опроса боковых полос.
Переход на оптические стандарты времени откроет перед человечеством двери в новую физику. Авторы работы подчеркивают, что их устройство — это не просто сверхточный секундомер, а мощный инструмент для изучения структуры мироздания. «Такие характеристики соответствуют требованию к точности одиночных часов 2 на 10 в минус 18-й степени для переопределения секунды в системе СИ, с потенциальным применением в релятивистской геодезии и поиске темной материи с высоким разрешением», — отмечают исследователи в своей публикации.
Применение таких часов позволит фиксировать мельчайшие изменения гравитационного поля Земли, основываясь на теории относительности, согласно которой время течет медленнее вблизи массивных объектов.
Помимо картографирования земных недр, стронциевые часы помогут в охоте за неуловимыми частицами темной материи, которые могут вызывать микроскопические колебания времени. На текущий момент уже несколько научных центров в мире, включая команды, работающие с ионами алюминия, достигли необходимых пороговых значений. Синхронизация усилий лабораторий по всему миру позволит создать сеть сверхточных датчиков по всей планете.
Хотя на ближайшей конференции по мерам и весам в октябре 2026 года окончательное решение о переопределении секунды принято не будет, оптические часы закладывают фундаментальную базу для исторического сдвига в метрологии, который произойдет уже в ближайшие годы.