Сверхточные атомные часы удваивают прежнюю точность и могут обнаруживать темную материю

Время: оно изгибается и деформируется, или кажется, что оно ускоряется или замедляется, в зависимости от вашего положения или восприятия. Таким образом, точное измерение его прохождения — одна из самых фундаментальных задач в физике, которая может помочь нам высадиться на Марсе или даже наблюдать темную материю.

Теперь физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) и Университет штата Делавэр разработали самые точные и точные атомные часы, используя «паутину» света для улавливания и возбуждения рассеянного облака холодных атомов стронция.

«Эти часы настолько точны, что могут может обнаружить крошечные эффекты, предсказанные такими теориями, как общая теория относительности, даже в микроскопическом масштабе», — говорит Джун Йе, физик из лаборатории Объединенного института лабораторной астрофизики NIST (JILA) в Университете Колорадо. «Они расширяют границы возможностей хронометража».

При общей систематической точности 8,1 x 10^-19 стронциевые часы в два раза точнее и точнее, чем предыдущий рекордсмен.

NIST — это место, где исследователи экспериментируют с технологиями, позволяющими повысить точность глобальных стандартных измерений, таких как международные единицы времени; второй.

Там, где для представления единицы массы можно использовать твердый блок материала, времени не хватает постоянного физического свойства, к которому мы могли бы вернуться для последовательного измерения. Вместо этого мы полагаемся на закономерности, которые надежно повторяются, такие как вращение Земли, раскачивание маятника или жужжание наэлектризованного куска кварца.

Каждый из них предсказуем, но даже вращение Земли замедляется. и ускоряется постепенно. Обнаружение закономерностей в природе, которые можно измерить способами, изменяющимися на минимальную степень, приведет к еще более точным измерениям времени.

Одной из таких закономерностей является дрожание возбужденных электронов, окружающих атом. Например, стандартная секунда определяется «прыжком» определенных электронов, вращающихся вокруг атома цезия. Под действием микроволн определенной частоты они переходят в более высокие энергетические состояния и снова снижаются 9 192 631 770 раз в секунду.

Лучшие на сегодняшний день атомные цезиевые часы, разработанные в 1955 году и с тех пор усовершенствованные, показывают время с точностью до одного три. стомиллионные доли секунды в год. Для сравнения, ваши кварцевые наручные часы каждый год отстают или прибавляют примерно 180 секунд (или 3 минуты).

Однако учёные-измерители рассматривают возможность переопределить секунду в следующем десятилетии, поскольку технологии атомных часов быстро развиваются.

За последние два десятилетия атомные часы, которые возбуждают атомы или ионы с более короткими длинами волн света, чем микроволны, вышли на первый план, установив рекорды стабильности и точности.

Это новое атомное устройство Часы, разработанные физиком JILA Александром Эппли и его коллегами, на атомном уровне опережают предыдущие лучшие часы на оптической решетке, которые Йе и другие коллеги из JILA помогли разработать в 2019 году.

«Они устанавливают эталон точности все опубликованные на сегодняшний день оптические часы», — пишут Эппли, Йе и коллеги в своем препринте, описывая новые часы.

В своей одномерной «паутине» лазерного света часы улавливают десятки тысяч атомы стронция, что обеспечивает более высокий уровень точности. Мелкая паутина света, действующая в сверхвысоком вакууме на тонкий слой сверххолодных атомов стронция, также минимизирует ошибки за счет уменьшения дестабилизирующего воздействия лазеров и атомов, сталкивающихся друг с другом.

С эта точность, лежащая в основе их точности, ожидается, что часы будут терять всего одну секунду каждые 30 миллиардов лет, что может помочь космическим путешественникам отслеживать время на огромных расстояниях.

«Если мы хотим посадить космический корабль на Марс с точной точностью точности, нам понадобятся часы, которые будут на несколько порядков точнее, чем те, которые мы имеем сегодня в GPS», — говорит Йе. «Эти новые часы — важный шаг на пути к тому, чтобы это стало возможным».

Все более точные часы могут также регистрировать крошечные отклонения в колебаниях атомов, которые могут сигнализировать о слабом взаимодействии с темной материей или релятивистском притяжении гравитации. .

«Каждый выигрыш в стабильности и точности открывает новые области исследований, такие как определение границ темной материи [или] исследование общей теории относительности», — пишут исследователи.

Но возможно, это возможно. есть другие способы достичь этих новых рубежей, помимо оптических атомных часов. Исследователи также экспериментировали с использованием квантовой запутанности для измерения времени и возбуждением атомных ядер, а не целых атомов, с помощью лазеров, что можно было бы использовать для создания более стабильных устройств для измерения времени.

Результаты исследования опубликованы. на сервер препринтов arXiv перед публикацией в рецензируемом журнале Physical Review Letters.