Пока в мире обсуждают переопределение точной длительности секунды, сингапурский Центр квантовых технологий (Centre for Quantum Technologies) представил нового претендента на роль главного эталона времени.
Лютеций может стать будущим атомных часов. Источник изображения — newatlas.com
Испытания новых атомных часов на основе лютеция показали, что они не только идут наравне с существующими технологиями, но, возможно, даже превосходят их.
«Я уверен, что то, что у нас есть сейчас, — самые точные часы в мире», — говорит физик Национального университета Сингапура Мюррей Барретт (Murray Barrett).
Атомные оптические часы отсчитывают время, используя электроны в роли маятника. Подобно тому как груз внутри напольных часов качается по строгой закономерности, электрон, «подтолкнутый» точно отмеренной порцией энергии, «раскачивается» между квантовыми состояниями с надёжной, стабильной частотой.
Атомы разных элементов, разумеется, отсчитывают чуть разное время. С 1960-х годов элементом выбора остаётся цезий, хотя ради особых свойств создавали и часы на других металлах — например, на иттербии или стронции.
Одно из желательных свойств атомных часов — низкая систематическая погрешность. Любой процесс требует баланса между чувствительностью и надёжностью: нужно, чтобы электроны неизменно реагировали на импульс лазера и затем без сбоев испускали характерную вспышку света.
Среди элементов для атомных оптических часов лютеций — настоящий тяжеловес. С атомной массой 71 он стоит в конце ряда лантаноидов, сразу за иттербием, что делает его менее склонным к «раскачке». Он также почти не реагирует на тепловое излучение и колебания магнитных полей, оставляя меньше возможностей для внешних ошибок.
К тому же он «гудит» с частотой примерно в 10 000 раз выше, чем у цезия, что потенциально делает его крайне точным и надёжным материалом для измерения времени на самых тонких масштабах.
«Хорошие свойства означают, что высокой точности можно добиться в широком диапазоне условий, — говорит Барретт. — Часы на лютеции оставались бы стабильными, даже если перенести их из самого жаркого зафиксированного места на Земле в Долине Смерти в самое холодное — на плато Антарктиды».
К сожалению, лютеций — ещё и самый редкий из всех редкоземельных элементов Земли и один из наименее изученных в том, что касается его свойств для измерения времени.
Именно этот пробел в знаниях Барретт и его команда восполняли последнее десятилетие. И вот теперь они наконец получили результаты, которых так ждали.
Команда проверила свою работу, сравнив пару лютециевых часов в условиях, заданных строгими критериями. Годы экспериментов и над самой системой, и над заряженным атомом лютеция позволили снизить уровень неопределённости настолько, что их часы вошли в число лучших из лучших.
Ранее в этом году исследователи Китайской академии наук достигли систематической погрешности 4,4 × 10⁻¹⁹ на установке, основанной на ионах кальция.
Сравнение двух лютециевых часов дало систематическую погрешность всего 1,2 × 10⁻¹⁹ — и это число можно улучшить при дополнительных измерениях.
Трудно передать, насколько кропотлива подобная работа. Когда секунды дробятся на триллионные доли, искажения времени под действием гравитации заметны уже на считанных миллиметрах: даже почти неощутимая разница в расстоянии до центра Земли способна вызвать расхождение между двумя часами.
И всё же именно эта чувствительность делает их невероятно полезными. Только при такой точности можно надеяться поставить эксперименты, которые когда-нибудь разрешат давний конфликт между цельным представлением о гравитации из общей теории относительности и дискретностью реальности, вытекающей из квантовой механики.
А пока остаётся и вопрос о том, насколько точной вообще стоит делать фундаментальную единицу времени — секунду. Сейчас это 9 192 631 770 сверхтонких «скачков» электрона, возбуждаемого микроволнами в атоме цезия-133 в его основном состоянии.
Мог бы лютеций справиться лучше?
«В будущем я просто не представляю, как эти часы можно превзойти», — говорит Барретт.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
Источник: Национальный университет Сингапура
