Учёные из Национального университета Сингапура совершили прорыв в области квантовых измерений, создав новый тип сверхточных атомных часов. Вместо традиционно используемых в таких устройствах элементов, таких как цезий или рубидий, физики впервые задействовали атомы лютеция — редкого тяжелого металла. За счёт своей большой массы лютеций существенно снижает уровень погрешностей, позволяя добиться беспрецедентных показателей точности определения времени и выведя оптические стандарты на принципиально новый уровень.
Преимущества тяжелого элемента и физические принципы
Атомная масса лютеция составляет 71, и этот элемент располагается в конце ряда лантаноидов, сразу после иттербия. Будучи крайне редким в природе металлом, он обладает уникальным набором свойств. Из-за большой массы атома его собственные колебания значительно меньше, чем у цезия. Кроме того, частота оптического перехода в лютециевых часах достигает примерно 354 ТГц, что примерно в 10 000 раз превышает частоту микроволнового перехода в классических цезиевых аналогах. Сочетание высокой частоты и минимума ошибок делает разработку сингапурских физиков лидером по точности.
Устойчивость к внешней среде и условия эксперимента
Важной особенностью тяжелых атомов лютеция является их сниженная чувствительность к колебаниям магнитных полей и перепадам температур. Это означает, что созданные на их основе атомные часы сохранят одинаковую стабильность как в лабораториях умеренных широт, так и в экстремальных условиях вроде Северного полюса или пустыни Сахара. В ходе эксперимента исследователи использовали один ион изотопа лютеция-176, который удерживался в электромагнитной ловушке при комнатной температуре. Специальный лазер с длиной волны около 848 нм переводил ион между двумя энергетическими состояниями, создавая стабильный эталон времени.
Рекордные показатели и перспективы применения
Сравнение двух независимых установок в течение почти 200 часов показало совпадение их частот с относительным расхождением около 10-19. Достигнутая систематическая неопределённость составила 1,2 и 1,3 × 10-19 для обеих систем, что примерно в четыре раза превосходит предыдущий рекорд оптических часов на ионах кальция, установленный китайскими специалистами. Подобная точность позволяет фиксировать изменения гравитационного потенциала на миллиметровом уровне высоты. В будущем технология найдет применение в сверхточной геодезии, проверке общей теории относительности и фундаментальных физических исследованиях.
Противоречивые данные
В то время как большинство профильных источников сходятся в оценке относительного расхождения частоты на уровне 10-19 и четырехкратном превосходстве над кальциевыми часами, в публичном пространстве расходятся данные о конкретных формулировках эквивалентной погрешности в привычных временных интервалах. Некоторые издания акцентируют внимание на теоретической стабильности «одна секунда погрешности на миллиарды лет», в то время как технические отчеты исследователей оперируют строгими значениями систематической неопределённости в диапазоне 1,2–1,3 × 10-19, полученными в ходе двухсотчасового непрерывного тестирования установок при комнатной температуре.
