Националният институт по стандартизация и технологии (NIST) на САЩ постави нов световен рекорд за най-точен оптичен атомен часовник, базиран на алуминиеви йони.

Този часовник поставя нов еталон за измерване на времето, като измерва точно секундата до деветнадесетия знак след десетичната запетая. Това е голям скок, който го прави 41% по-точен и 2.6 пъти по-стабилен от предишния рекордьор. Рекордът за точност на алуминиевойонния часовник се дължи на две десетилетия упорито усъвършенстване.

Оптичните атомни часовници измерват точно времето, като проследяват вибрациите на свръхохладени заредени атоми, наречени йони, с помощта на лазери. Въпреки че дълго време стандартът беше цезиевите атомни часовници, благодарение на технологичния напредък новите часовници, базирани на алуминиеви йони, се превръщат в по-стабилни и точни хронометри.

Сърцето на часовника е един-единствен алуминиев йон, който е известен с невероятно стабилното си високочестотно „тиктакане“. Той е толкова стабилен, че превъзхожда цезиевия атом, който в момента определя научната секунда. Но този йон има тайна. Алуминият е малко „срамежлив“ и е труден за работа сам по себе си. Затова екипът на NIST разработи интересно решение: „система от приятели“. Те свързват алуминиевия йон с магнезиев йон.

Магнезият е лесен за управление с лазери и действа като помощник на алуминиевия йон, като го охлажда и позволява да се отчитат неговите „тикове“.

„Тази „приятелска система“ за йони се нарича квантова логическа спектроскопия“, казва Вила Артър-Дворшак, докторант и сътрудник по проекта.

Постигането на това ниво на прецизност не е лесно. Всеки компонент на часовника трябваше да бъде усъвършенстван. Едно от основните препятствия беше самият йонен капан. Малките, нежелани движения на йоните, наречени излишни микроподвизи, нарушаваха точността на часовника.

Екипът препроектира капана, като използва по-дебела диамантена пластина и модифицира златните покрития, за да елиминира тези смущения. С усъвършенстването на капана екипът успешно забавя движението на йоните, което им позволява да тиктакат без смущения. Дори вакуумната камера изиграва ключова роля. Обикновените стоманени вакуумни камери биха отделяли водороден газ, който пречи на деликатните йони.

Поради това те реконструират камерата от титан, като намаляват фоновия водород 150 пъти. Това означава, че часовникът може да работи не само минути, но и дни, без да се налага да бъде нулиран.

И накрая идва ролята на лазера - и то не просто лазер, а един от най-стабилните в света благодарение на лабораторията на д-р Джун Йе в JILA, друг съвместен институт на NIST. Този свръхстабилен лазер повиши стабилността на часовника. Лазерният лъч пропътува 3.6 км чрез оптични връзки до NIST, където честотен гребен (действащ като „линийка за светлина“) позволи на лазера на алуминиевойонния часовник да приеме своята превъзходна стабилност.

Техниката позволи на лазера на алуминиевия часовник да постигне безпрецедентна стабилност, като намали времето, необходимо за измерванията, от седмици на само ден и половина.

Новият часовник ще допринесе за предефинирането на секундата, отваряйки врати за невероятни научни и технологични постижения.

Снимка: Unsplash/R. Jacobson/NIST

Виж още: ChatGPT си измисли една функция от нищото и тази компания я създаде на практика