Вчені з Національного університету Сінгапуру здійснили прорив у галузі квантових вимірювань, створивши новий тип надточних атомних годинників. Замість традиційно використовуваних у таких пристроях елементів, таких як цезій чи рубідій, фізики вперше задіяли атоми лютецію — рідкісного важкого металу. Завдяки своїй великій масі лютецій суттєво знижує рівень похибок, дозволяючи досягти безпрецедентних показників точності визначення часу та вивівши оптичні стандарти на принципово новий рівень.

Переваги важкого елемента та фізичні принципи

Атомна маса лютецію становить 71, і цей елемент розташовується в кінці ряду лантаноїдів, одразу після ітербію. Будучи вкрай рідкісним у природи металом, він має унікальний набір властивостей. Через велику масу атома його власні коливання значно менші, ніж у цезію. Крім того, частота оптичного переходу в лютецієвому годиннику досягає приблизно 354 ТГц, що приблизно в 10 000 разів перевищує частоту мікрохвильового переходу в класичних цезієвих аналогах. Поєднання високої частоти та мінімуму помилок робить розробку сінгапурських фізиків лідером за точністю.

Стійкість до зовнішнього середовища та умови експерименту

Важливою особливістю важких атомів лютецію є їх знижена чутливість до коливань магнітних полів і перепадів температур. Це означає, що створені на їх основі атомні годинники збережуть однакову стабільність як у лабораторіях помірних широт, так і в екстремальних умовах на кшталт Північного полюса або пустелі Сахара. Під час експерименту дослідники використовували один іон ізотопу лютецію-176, який утримувався в електромагнітній пастці за кімнатної температури. Спеціальний лазер із довжиною хвилі близько 848 нм переводив іон між двома енергетичними станами, створюючи стабільний еталон часу.

Рекордні показники та перспективи застосування

Порівняння двох незалежних установок протягом майже 200 годин показало збіг їхніх частот з відносним розходженням близько 10-19. Досягнута систематична невизначеність склала 1,2 та 1,3 × 10-19 для обох систем, що приблизно в чотири рази перевищує попередній рекорд оптичних годинників на іонах кальцію, встановлений китайськими фахівцями. Подібна точність дозволяє фіксувати зміни гравітаційного потенціалу на міліметровому рівні висоти. У майбутньому технологія знайде застосування в надточній геодезії, перевірці загальної теорії відносності та фундаментальних фізичних дослідженнях.

Суперечливі дані

У той час як більшість профільних джерел сходяться в оцінці відносного розходження частоти на рівні 10-19 і чотириразовій перевазі над кальцієвим годинником, у публічному просторі розходяться дані щодо конкретних формулювань еквівалентної похибки у звичних часових інтервалах. Деякі видання акцентують увагу на теоретичній стабільності «одна секунда похибки на мільярди років», тоді як технічні звіти дослідників оперують суворими значеннями систематичної невизначеності в діапазоні 1,2–1,3 × 10-19, отриманими в ході двістігодинного безперервного тестування установок за кімнатної температури.