Мир, в котором мы живем, постоянно стремится к точности, и измерение времени не является исключением. В настоящее время секунда, фундаментальная единица времени, определяется цезиевыми атомными часами, использующими микроволновые частоты. Однако эра сверхточных оптических атомных часов, «тикающих» с частотой лазера, в 100 000 раз быстрее, чем цезиевые, уже наступила, и они обещают быть в 100 раз точнее. Именно эти новые стандарты, потенциально способные переопределить секунду, являются объектом пристального внимания ученых.
В авангарде этих исследований находится Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Германия, – мировое лидерство в разработке оптических часов. PTB создала различные типы оптических часов, включая одноионные и решеточные часы. Однако прорывным достижением стало создание новых часов на основе ионного кристалла, которые способны измерять время и частоту в 1000 раз точнее, чем цезиевые аналоги.
Эти новые часы используют хитроумный метод: вместо одного атома, они работают с множеством ионов, улавливаемых одновременно, формируя уникальную кристаллическую структуру за счет взаимодействия между ионами. Использование комбинации ионов индия и иттербия позволяет объединить преимущества каждого из них. Индий выбран из-за свойств, обеспечивающих высокую точность, а иттербий – для эффективного охлаждения.
Принцип работы оптических часов заключается в облучении атомов лазерным светом. При правильной частоте лазера атомы меняют свои квантовые состояния, и это изменение, если его точно измерить, можно использовать для отсчета времени. Однако, для получения точных результатов атомы должны быть изолированы от внешних влияний.
Традиционные одноионные часы, хоть и обеспечивают точность до 18-го знака после запятой, требуют очень длительных измерений – от двух недель до трех лет для полной реализации потенциала. Новые ионно-кристаллические часы, благодаря параллельной обработке данных, сокращают это время до приемлемых величин.
Разработка ионно-кристаллических часов представляет собой сложную задачу. Необходимо было разработать ионную ловушку, обеспечивающую высокую точность для протяженного кристалла, а также разработать методы точного позиционирования охлаждающих ионов.
Несмотря на эти трудности, новые часы уже демонстрируют точность, близкую к 18-му знаку после запятой, что является значительным достижением. Сравнения с другими часами в PTB, включая одноионные иттербиевые часы, стронциевые решеточные часы и цезиевые фонтанные часы, подтвердили их высокую точность. Особенно важным оказалось достижение предела точности, необходимого для сравнения с иттербиевыми часами, что критически важно для переопределения секунды.
Работа над созданием новых оптических часов, описанная в статье "¹¹⁵In⁺ − ¹⁷²Yb⁺ Coulomb Crystal Clock with 2.5×10⁻¹⁸ Systematic Uncertainty" (H. N. Hausser et al., Physical Review Letters, 2025, DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.253201), является важным шагом вперед.
Эти часы не только открывают дверь к новым стандартам времени, но и демонстрируют перспективы применения ионных кристаллов с другими видами ионов, что может привести к созданию совершенно новых концепций часов, например, основанных на квантовых многочастичных состояниях. Физики Йонас Келлер и Таня Мельштёйблер, ведущие исследователи в PTB, являются ключевыми фигурами в этом прогрессе.
Будущее времени, кажется, уже наступило. Новое поколение сверхстабильных и точных оптических часов на основе ионных кристаллов не только приближает нас к переопределению секунды, но и открывает новые горизонты в фундаментальных исследованиях и технологических применениях.
Изображение носит иллюстративный характер
В авангарде этих исследований находится Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Германия, – мировое лидерство в разработке оптических часов. PTB создала различные типы оптических часов, включая одноионные и решеточные часы. Однако прорывным достижением стало создание новых часов на основе ионного кристалла, которые способны измерять время и частоту в 1000 раз точнее, чем цезиевые аналоги.
Эти новые часы используют хитроумный метод: вместо одного атома, они работают с множеством ионов, улавливаемых одновременно, формируя уникальную кристаллическую структуру за счет взаимодействия между ионами. Использование комбинации ионов индия и иттербия позволяет объединить преимущества каждого из них. Индий выбран из-за свойств, обеспечивающих высокую точность, а иттербий – для эффективного охлаждения.
Принцип работы оптических часов заключается в облучении атомов лазерным светом. При правильной частоте лазера атомы меняют свои квантовые состояния, и это изменение, если его точно измерить, можно использовать для отсчета времени. Однако, для получения точных результатов атомы должны быть изолированы от внешних влияний.
Традиционные одноионные часы, хоть и обеспечивают точность до 18-го знака после запятой, требуют очень длительных измерений – от двух недель до трех лет для полной реализации потенциала. Новые ионно-кристаллические часы, благодаря параллельной обработке данных, сокращают это время до приемлемых величин.
Разработка ионно-кристаллических часов представляет собой сложную задачу. Необходимо было разработать ионную ловушку, обеспечивающую высокую точность для протяженного кристалла, а также разработать методы точного позиционирования охлаждающих ионов.
Несмотря на эти трудности, новые часы уже демонстрируют точность, близкую к 18-му знаку после запятой, что является значительным достижением. Сравнения с другими часами в PTB, включая одноионные иттербиевые часы, стронциевые решеточные часы и цезиевые фонтанные часы, подтвердили их высокую точность. Особенно важным оказалось достижение предела точности, необходимого для сравнения с иттербиевыми часами, что критически важно для переопределения секунды.
Работа над созданием новых оптических часов, описанная в статье "¹¹⁵In⁺ − ¹⁷²Yb⁺ Coulomb Crystal Clock with 2.5×10⁻¹⁸ Systematic Uncertainty" (H. N. Hausser et al., Physical Review Letters, 2025, DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.253201), является важным шагом вперед.
Эти часы не только открывают дверь к новым стандартам времени, но и демонстрируют перспективы применения ионных кристаллов с другими видами ионов, что может привести к созданию совершенно новых концепций часов, например, основанных на квантовых многочастичных состояниях. Физики Йонас Келлер и Таня Мельштёйблер, ведущие исследователи в PTB, являются ключевыми фигурами в этом прогрессе.
Будущее времени, кажется, уже наступило. Новое поколение сверхстабильных и точных оптических часов на основе ионных кристаллов не только приближает нас к переопределению секунды, но и открывает новые горизонты в фундаментальных исследованиях и технологических применениях.
