Най-точният часовник в света вече принадлежи на изследователите от Националния институт за стандарти и технологии (NIST). Новият оптичен атомен часовник, изграден около един-единствен уловен алуминиев йон, може да отмерва времето толкова точно, че неговата фракционна честотна неточност е 5.5 × 10⁻¹⁹. Това означава, че ще отнеме повече време от възрастта на Вселената, за да загуби или спечели една секунда. Той има и фракционна честотна стабилност от 3.5 × 10⁻¹⁶ / √τ секунди, което го прави 2.6 пъти по-стабилен от всеки друг йонен часовник.

Оптичните часовници се оценяват по точност, която е колко близо се доближават до „истинското“ време, и стабилност, която е колко последователно го измерват. Този рекорд е резултат от 20 години непрекъснати подобрения на лазера, йонния капан и вакуумната камера на алуминиевия йонен часовник. „Вълнуващо е да се работи върху най-точния часовник, създаван някога“, каза Мейсън Маршал, изследовател в NIST и първи автор на проучването.

Часовникът работи, използвайки квантова логическа спектроскопия на един-единствен ²⁷Al⁺ йон. Йон ²⁵Mg⁺ е уловен заедно с него, за да помогне за симпатичното охлаждане и да отчете състоянието на алуминиевия йон. Алуминият е отличен за отмерване на времето, защото неговите „тикове“ са изключително стабилни и по-малко повлияни от температурата или магнитните полета, но е труден за контролиране с лазери. Магнезият е по-лесен за работа, така че действа като партньор, охлажда алуминиевия йон и позволява на изследователите да го измерват индиректно.

Едно голямо подобрение беше удължаването на продължителността на сондата Раби до 1 секунда, което стана възможно чрез прехвърляне на стабилността на лазера от отдалечена криогенна силициева кухина в лабораторията на Джун Йе в JILA чрез 3.6-километрова оптична връзка. Това намали нестабилността с три пъти в сравнение с по-ранните часовници с алуминиеви йони.

Екипът също така препроектира йонния капан, за да намали излишните микродвижения, които са малки нежелани движения, които могат да нарушат синхронизацията. Те използваха по-дебел диамантен пласт и коригираха златните покрития на електродите, за да отстранят електрическите дисбаланси. Вакуумната камера беше преустроена от титан, което намали фоновия водороден газ 150 пъти и понижи сблъсъчните измествания, позволявайки на часовника да работи дни наред без презареждане на йони.

Те също така измериха променливото магнитно поле от радиочестотния капан по начин, чувствителен към посоката, премахвайки несигурността, причинена от ориентацията на полето.

Тези промени означават, че часовникът вече може да достигне точност до 19 знака след десетичната запетая за около 36 часа вместо за три седмици. „С тази платформа сме готови да изследваме нови архитектури на часовници – като увеличаване на броя на часовниковите йони и дори тяхното преплитане, – като по този начин допълнително подобряваме нашите възможности за измерване“, казва докторантката Уила Артур-Дворшак.

Това постижение може да помогне за предефиниране на секундата с много по-голяма точност и да отвори нови възможности в науките за Земята и фундаменталната физика, включително тестване дали константите на природата са наистина константни.

Снимка: Unsplash/R. Jacobson/NIST

Виж още: Huawei Pura 80 Ultra – точно толкова добър, колкото изглежда