Учёные из Центра квантовых технологий Национального университета Сингапура разработали оптические атомные часы с рекордно низкой относительной погрешностью — около 10⁻¹⁹. При такой точности часам потребуется свыше 260 миллиардов лет, чтобы накопить ошибку в одну секунду.
В основе установки — один заряженный ион изотопа лютеция-176 и лазер с длиной волны 848 нанометров. Полученная относительная неопределённость частоты в 1 × 10⁻¹⁹ превышает предыдущий рекорд на кальциевых часах примерно в четыре раза.
Чтобы подтвердить результат, исследователи не ограничились расчётами. Они построили вторую независимую установку и сравнивали её работу с первой в течение 200 часов. Частоты совпали с неопределённостью 5,7 × 10⁻¹⁹. Это самая точная прямая проверка двух атомных часов одного типа — критически важный тест для метрологии, поскольку он доказывает воспроизводимость, а не просто хорошие расчётные характеристики.
Атомные часы работают не механическим маятником, а частотой переходов между энергетическими состояниями атома. Лазер настраивают на эту частоту, и колебания света становятся эталонным «маятником». Международный стандарт секунды с 1967 года основан на переходе в цезии-133, но современные оптические часы на стронции, иттербии и других элементах действуют на куда более высоких частотах и обеспечивают значительно лучшую точность.
Лютеций выбран не случайно. Атомный переход в нём слабо чувствителен к температуре и магнитному полю — внешние воздействия, которые сдвигают частоту других часов и становятся заметной ошибкой на предельных уровнях точности. Сингапурская группа занимается лютецием более десяти лет и разработала специальный метод усреднения сверхтонкой структуры для подавления систематических сдвигов.
Точность этой установки уже натыкается на следствия общей теории относительности. Сильное гравитационное поле замедляет ход времени, поэтому одинаковые сверхточные часы на разной высоте показывают измеримую разницу частот. Лютециевая система способна почувствовать перепад высоты в несколько миллиметров. При сравнении двух установок потребовалось измерить положение ионов с точностью лучше миллиметра.
Такая чувствительность превращает атомные часы из простого эталона времени в инструмент геодезии и фундаментальной физики. Сети оптических часов позволят измерять изменения гравитационного потенциала Земли, проверять основные физические теории и искать следы неизвестных взаимодействий. Но сравнить лучшие часы из разных лабораторий уже сложно. Неопределённость в знании гравитационного потенциала между удалёнными точками Земли становится соизмерима с погрешностью самих приборов.
Международное метрологическое сообщество рассматривает оптические часы как кандидатов на новое определение секунды, чтобы заменить цезиевый стандарт. Решение ожидается не раньше 2030 года, а лютеций теперь входит в число элементов-претендентов.
Следующая цель команды — уменьшить размер установки. Рекордные часы пока остаются лабораторным оборудованием. Портативная версия без существенной потери точности позволит сравнивать лучшие установки из разных лабораторий и использовать разницу хода времени для прямого измерения гравитационного поля Земли.
