Новые двойные атомные часы и новый рекорд стабильности

Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) объединили два экспериментальных атомных часа на основе атомов иттербия, чтобы установить еще один мировой рекорд стабильности часов. Стабильность можно представить как то, насколько точно продолжительность каждого такта часов совпадает с каждым другим тактом, идущим до и после.Эта необычайная стабильность делает иттербиевые решетчатые часы более мощным инструментом для точных тестов, например, для проверки того, действительно ли «фундаментальные константы» природы постоянны, и для поиска неуловимой темной материи, которая, как предполагается, составляет большую часть Вселенной. Об эксперименте, демонстрирующем конструкцию двойных часов, сообщается в Nature Photonics.

«Мы устранили критический тип шума в работе часов, эффективно сделав тактовый сигнал сильнее», — сказал физик NIST Эндрю Ладлоу. «Это означает, что мы можем достичь нестабильности часов в 1,5 части на квинтиллион (1 с 18 нулями) всего за несколько тысяч секунд. Хотя это лишь немного превосходит рекордный уровень стабильности часов, который мы продемонстрировали несколько лет назад, мы добились этого.

В 10 раз быстрее ».Атомные часы NIST обычно работают на очень высоком уровне, но ученые постоянно настраивают их, чтобы уменьшить незначительные недостатки.

Новая конструкция с двумя часами устраняет небольшое, но значительное искажение частоты лазера, который исследует и синхронизирует с атомами. Чем стабильнее часы, тем лучше их измерительная мощность.Новые «двойные часы» на решетке иттербия — самые стабильные часы в мире, хотя другие атомные часы NIST на основе стронция, расположенные в JILA, являются мировым рекордом точности. Под точностью понимается, насколько точно часы настраиваются на собственную частоту, с которой атомы колеблются между двумя электронными уровнями энергии.

И иттербиевые, и стронциевые часы работают на оптических частотах, намного превышающих микроволновые частоты атомных часов цезия, используемых в качестве эталонов времени. Оптические атомные часы работают, настраивая частоту лазера так, чтобы она резонировала с частотой перехода атомов между двумя энергетическими состояниями. Это атомное тиканье передается на лазер для использования в качестве инструмента хронометража.

Любой шум или погрешность, влияющие на этот процесс, нарушают частоту лазера и, следовательно, точность хронометража.Оптические атомные часы обычно чередуют лазерное зондирование атомов с периодами «мертвого времени», в течение которого атомы подготавливаются и измеряются. Во время простоя определенные колебания частоты лазера не наблюдаются должным образом или не компенсируются в процессе настройки лазера.

Возникающие в результате шумовые эффекты (впервые наблюдаемые в 1990-х годах Дж. Дж.

Диком из Калифорнийского технологического института) до сих пор ограничивали стабильность и точность часов.Новый дизайн двойных часов NIST имеет нулевое мертвое время — и поэтому его называют часами ZDT — и практически не имеет шума мертвого времени, потому что он непрерывно исследует атомы, переключаясь назад и вперед от одного атомного ансамбля к другому. Два ансамбля из 5000 и 10000 атомов иттербия, соответственно, захвачены сеткой лазерного излучения, называемой оптической решеткой, и исследуются общим лазером.Измерения откликов двух ансамблей атомов объединяются для получения единой комбинированной поправки к частоте лазера.

Эти измерения и корректировки производятся в два раза быстрее, чем в одинарных часах. Благодаря отсутствию шума мертвого времени новые часы достигают рекордного уровня стабильности в 10 раз быстрее, чем раньше. Важно отметить, что производительность теперь ограничена атомной системой часов, а не лазером, что является долгожданной целью в физике, которую Ладлоу называет «мечтой» для будущих приложений.

Такой подход может в конечном итоге уменьшить размер и сложность атомных часов, поэтому устройство можно сделать достаточно портативным для использования вне лаборатории. Физический корпус в настоящее время больше, чем отдельные часы, но в конечном итоге обе атомные системы могут использовать один вакуумный аппарат и более простые лазерные системы, что уменьшит общий размер, сказал Ладлоу.

Портативные оптические атомные часы можно было бы распространять по всему миру для релятивистской геодезии (гравитационные измерения формы Земли) или переносить на космических кораблях для проверки общей теории относительности.


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.