У американских учёных появился новый рекорд: в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) создали самые точные часы в мире. Их работа основана на алюминиевом ионе, удерживаемом в электромагнитной ловушке. Это не просто очередная оптическая система — точность измерений достигла 19 знаков после запятой, превзойдя все прежние достижения в хронометрии.
Важна не только высокая достоверность, но и стабильность хода. Новая установка оказалась в 2,6 раза устойчивее к шумам, чем другие ионные часы. Такой результат обеспечила глубокая переработка всей конструкции: от геометрии ловушки и свойств покрытия до конфигурации вакуумной камеры и оптических компонентов. В точности система обошла предыдущий мировой рекорд на 41%.
Алюминиевый ион идеально подходит для прецизионных измерений — он демонстрирует устойчивое колебание и слабо зависит от внешних факторов вроде температуры или магнитных возмущений. Но его трудно охлаждать лазером и напрямую считывать. Для решения этой задачи добавили вспомогательный элемент — ион магния.
Такой подход известен как квантовая логическая спектроскопия. Магний проще в управлении: он охлаждает алюминий, синхронизирует с ним движение и передаёт информацию о его состоянии. В итоге считывание производится по поведению «партнёра», а не самого труднодоступного элемента. Это позволяет использовать преимущества алюминия, избегая связанных с ним ограничений.
Несмотря на такую синхронизацию, система сталкивалась с техническими проблемами. Одной из них стало избыточное микродвижение ионов из-за несимметричных электрических полей. Оно не видно визуально, но влияет на стабильность сигнала. Команда переработала конструкцию ловушки: усилила подложку алмазным основанием и изменила конфигурацию золотого покрытия на электродах. Это помогло устранить перекосы и стабилизировать систему.
Существенное обновление потребовалось и для вакуумной камеры. Предыдущий корпус из нержавеющей стали выделял водород, мешающий точным измерениям. Молекулы газа сталкивались с ионами, нарушая их поведение и вынуждая регулярно перезапускать процесс. Новый титановой корпус уменьшает содержание водорода в 150 раз. Теперь часы могут непрерывно работать несколько суток, тогда как раньше перезагрузка требовалась каждые 30 минут.
Одним из самых чувствительных элементов оставался лазер, с помощью которого производится считывание частоты. В версии 2019 года для подавления флуктуаций требовалось многонедельное усреднение. Помогла лаборатория Джуна Е из JILA — совместного центра NIST и Университета Колорадо в Боулдере, где работает один из самых стабильных лазеров в мире.
Сигнал из лаборатории JILA направили в установку по волоконной линии длиной 3,6 километра, проложенной под улицей. Частоту синхронизировали с лазером алюминиевых часов с помощью оптического гребёнчатого генератора — устройства, служащего частотной «линейкой». Это позволило передать стабильность опорного лазера в рабочую систему.
После такой модернизации удалось удерживать возбуждённое состояние иона в течение целой секунды — вместо прежних 150 миллисекунд. Это сократило время, необходимое для высокоточных измерений, с нескольких недель до полутора суток.
Помимо рекорда точности, эти часы стали полноценной платформой для квантовых исследований. Их структура подходит для тестирования новых архитектур: например, систем с несколькими ионами или запутанными состояниями. Это открывает путь к более сложным схемам квантовой логики и прецизионной метрологии.
Разработка также приближает международное сообщество к пересмотру определения секунды. Атомные часы следующего поколения способны измерять геофизические эффекты, включая разницу гравитационного потенциала на разных высотах, с недосягаемой ранее точностью. Более того, с их помощью можно проверить, меняются ли фундаментальные физические константы со временем.