В исследовательском сообществе все больший интерес вызывают оптические часы. Они могли бы позволить в будущем реализовать основную единицу времени СИ, вторую, с еще большей точностью и, таким образом, заменить нынешнее определение, основанное на взаимодействии между микроволновым излучением и атомами цезия. Однако наиболее точные часы охватывают широкий спектр приложений, от геодезии (где они позволяют прямое и более точное измерение гравитационного потенциала Земли) до исследования «великих вопросов» современной физики (таких как в качестве единой теории фундаментальных взаимодействий) путем поиска возможных вариаций фундаментальных констант (например, постоянной тонкой структуры) путем сравнения различных часов друг с другом.
Точность и стабильность оптических часов в основном основаны на том факте, что частота используемого оптического излучения выше (на несколько порядков), чем частота микроволнового излучения, которое используется в атомных часах цезия, что делает оптические часы очень популярными. точнее, чем цезиевые часы. В стронциевых часах лазерное охлаждение используется для замедления атомного газа до температуры, близкой к абсолютному нулю.
Затем возбуждается чрезвычайно узкий переход между долгоживущими собственными состояниями атомов, чтобы стабилизировать частоту возбуждающего лазера до частоты атомов. Одновременный опрос множества атомов приводит к особенно высокому отношению сигнал / шум и, следовательно, к высокой стабильности.Однако, поскольку атомное облако должно быть подготовлено после каждого опроса, возникают перебои в наблюдении за частотой лазера.
Таким образом, сам лазер служит «маховиком» и обычно предварительно стабилизируется на оптическом резонаторе, который поддерживает стабильность частоты лазера в течение коротких периодов времени. Поэтому ученые из PTB разработали резонатор, частота которого является одной из самых стабильных в мире: с длиной 48 см и оригинальной термической и механической изоляцией от окружающей среды он достигает относительной нестабильности частоты 8? 10-17.Ученые проанализировали индивидуальный вклад в шум обнаруженных вероятностей возбуждения их часов. Основываясь на их анализе, стронциевые часы PTB достигают предела квантового проекционного шума, который обусловлен законами физики, всего с 130 атомами.
Этот шум является результатом самого измерения состояния, поскольку после возбуждения каждый атом сначала находится в суперпозиции двух собственных состояний и случайным образом проецируется в одно из двух состояний только при выполнении измерения.Для анализа нестабильности часов модель, полученная на основе этого, была дополнена известным влиянием частотного шума лазера, и ее предсказание было экспериментально подтверждено путем самосравнения часов.
Из этого ученые из PTB вывели частичную нестабильность при нормальной работе, составляющую 1,6? 10-16 / τ1 / 2 как функция времени усреднения τ в секундах.
На сегодняшний день это лучшее опубликованное значение для атомных часов. Ожидается, что это значительно облегчит дальнейшее снижение общей неопределенности стронциевых часов до нескольких частей в 1018.