Створені нові атомні годинник, точність яких у 100 разів перевищує точність цезиевых годин
Міжнародна група дослідників створила новий тип атомних годин, стабільність роботи яких становить 1.6х10^-18. Що означає ця цифра? Це означає похибка в 0.23 секунди при вимірюванні віку Землі, проміжку часу в 4.54 мільярда років, похибки в 66 міліметрів при вимірюванні відстані від Землі до Альфи Центавра, яке становить 4.37 світлових року. Тепер, використовуючи надзвичайно високу точність нових годин, вчені зможуть точно відслідковувати релятивістські зміни в різних рухомих об'єктах, уточнювати значення деяких фізичних констант, перевіряти фундаментальні закони фізики, вивести земну і космічну навігацію на абсолютно новий рівень точності.
Вчені з американського Національного інституту стандартів і технологій (National Institute of Standards and Technology, NIST), спільно з ученими з університету Колорадо, італійського Національного інституту метрологічних досліджень та Політехнічного університету Турина, побудували атомні годинники, основою яких є атоми ітербій (Yb-171). Ці атоми, спіймані в пастку оптичної решітки, охолоджені світлом лазера до температури в 10 микроКельвинов, 10 мільйонних часток градуса вище абсолютного нуля.
На шляху до створення цих годин вченим довелося зіткнутися з багатьма проблемами технічного плану, такими, як вплив різного роду електромагнітних явищ, які спотворюють результати вимірювання частоти. До таких явищ ставитися ефект Діка (Dick effect), який визначає небажане втручання світла лазера в вимірювання частоти, ефекти Старка і Зимана, які визначають зміни спектрів випускаються хвиль під впливом електричних і магнітних полів, і, звичайно ж, Допплерівський ефект, що виникає внаслідок руху атомів ітербій.
Иттербиевые годинник NIST містять два "хмари" за 5 тисяч атомів, які укладені в пастки оптичних решіток, представляють собою електромагнітну мережу з низки потенційних ям і піків, створених з допомогою багаторазового відбиття світла лазерного променя. Для перешкоджання зміщення атомів під впливом ефекту Старка дослідники підібрали дуже точно довжину хвилі лазерного світла, яка склала 579 нм.
Після охолодження і стабілізації хмари атомів ітербій починають розгойдуватися між двома квантовими станами, від найнижчого енергетичного стану до більш високого, і назад. З допомогою додаткового світла лазера проводиться вимір поточного квантово-спінового стану хмар атомів ітербій, а велика кількість атомів в хмарі дозволяє компенсувати вплив ефектів Зимана і Старка. Рівень флюоресценції дозволяє обчислити кількість атомів в хмарі, що перебувають у найвищому і найнижчому енергетичному стані. Потім проводяться вимірювання стану атомів другого хмари, в той час, як атоми першого хмари знову стабілізуються і повертаються у вихідне стан. Отримуючи дані про коливання атомів обох хмар, пристрій визначає середню частоту коливань протягом досить тривалого проміжку часу, обчислює і компенсує внутрішню нестабільність цих годин.
Слід зауважити, що в даному випадку заявлена точність ходу иттербиевых годин може вважатися достовірною лише протягом тривалого проміжку часу, вона обернено пропорційна квадратному кореню від часу здійснення вибірки. Заявлена точність у 1.6х10^-18 досягається тільки за час до 25 тисяч секунд (6.94 години).
Незважаючи на те, що заявлена точність иттербиевых годин вже і так є рекордним значенням, вчені вважають, що вони зможуть в недалекому майбутньому досягти ще більших результатів. Використовуючи хмари, що складаються з великої кількості атомів, більш якісні методи захисту від зовнішніх впливів, нові методи для управління оптичними гратами, вчені збираються добитися досягнення такого ж значення стабільності за більш короткий проміжок часу, за 100 секунд.