В лабораториях JILA и Национального института стандартов и технологий США исследователи создали один из самых совершенных инструментов для измерения времени — оптические решёточные часы, использующие атомы стронция.
В отличие от привычных устройств, где частота задаётся колебаниями кристалла или маятника, здесь счёт ведут квантовые переходы ультрахолодных частиц, заключённых в пространственную сетку из пересекающихся лазерных пучков. Каждый атом выступает как миниатюрный генератор, а вся совокупность создаёт единую, чрезвычайно стабильную «решётку времени».
Внутри такой установки десятки тысяч стронциевых атомов охлаждаются до температуры, близкой к абсолютному нулю, и удерживаются в оптической ловушке — периодической структуре из света, похожей на кристалл. В каждом узле этой световой сетки атомы совершают колебания между двумя энергетическими состояниями с неизменной частотой, которая и служит мерилом секунд. Такая схема позволяет достичь точности, на несколько порядков превышающей показатели традиционных атомных стандартов.
Команда под руководством Кёнтхэ Кима добилась выдающихся результатов после масштабной модернизации установки, проведённой в 2019–2021 годах. Благодаря совершенствованию лазерных резонаторов и систем стабилизации учёные зафиксировали гравитационный красный сдвиг на уровне менее миллиметра — то есть различие в ходе времени между двумя точками, разделёнными всего несколькими волосами по высоте. До этого подобные эффекты можно было измерить только на десятках метров.
Главный параметр, определяющий возможности таких часов, — когерентность атомов, то есть длительность, в течение которой они сохраняют согласованные колебания без внешнего вмешательства. Если синхронность нарушается, измерения теряют надёжность. Исследователи установили, что увеличение числа атомов снижает квантовые флуктуации, но одновременно усиливает межчастичные столкновения, из-за которых частота немного смещается. Чтобы сохранить устойчивость системы, инженеры применили резонатор большого объёма, уменьшающий плотность газа и минимизирующий нежелательные взаимодействия между частицами.
Лазерную решётку разместили вдоль направления силы тяжести, из-за чего образовалась едва заметная «лестница» потенциальных ячеек. Такой наклон вызывает явление, известное как локализация Ванье — Старка: атомы теряют способность перескакивать между соседними узлами и удерживаются в собственных «карманах», что повышает стабильность всей структуры. При этом глубина ловушки была уменьшена почти в пять–десять раз по сравнению с обычными экспериментами, благодаря чему влияние внешних шумов стало значительно слабее.
Для анализа поведения атомов команда применила метод спектроскопии с визуализацией, позволяющий видеть, как распределены частицы и как они реагируют на свет. С его помощью физики определили, сколько времени атомы остаются синхронными и с какой скоростью покидают рабочее состояние. Эти измерения показали рекордную когерентность — 118 секунд — и минимальную нестабильность частоты, всего 1,5×10⁻¹⁸ за секунду наблюдения. Такой уровень позволяет утверждать, что за весь возраст Вселенной подобные часы ошиблись бы меньше чем на одну секунду.
Учёные также выяснили, какие процессы ограничивают стабильность. При малой глубине ловушки основное влияние оказывают взаимодействия между атомами, находящимися в разных узлах решётки, а при глубокой — столкновения с так называемыми «спутниками», возникающими при случайном изменении спина из-за рассеяния фотонов. Разделив эти режимы, исследователи смогли определить, какие именно факторы следует компенсировать, чтобы ещё продлить когерентное состояние.
Следующий шаг проекта — подавление указанных взаимодействий и объединение решёточных часов с атомной интерферометрией, применяемой в гравиметрии. Такая комбинация позволит измерять мельчайшие вариации гравитационного поля и использовать их для сверхточного картографирования рельефа Земли, а также для наблюдений тектонических изменений.
Стронциевые оптические часы сегодня рассматриваются как потенциальный новый эталон времени. Они дают возможность проверять неизменность фундаментальных физических констант — например, скорости света или соотношения масс электрона и протона — и исследовать, как ведёт себя пространство-время вблизи массивных объектов. Таким образом, эти эксперименты соединяют квантовую механику, гравитацию и метрологию, открывая путь к совершенно новому пониманию точности.