Ученые из Торонто совершили прорыв в области точного измерения времени, создав атомные часы, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю. Физики из Университета Торонто разработали первые в мире криогенные оптические атомные часы на одиночном ионе.
По оценкам, новое устройство может превзойти по точности цезиевые часы, используемые сегодня для определения секунды, в 100 раз. Это достижение знаменует собой важный шаг к замене устаревших цезиевых часов, которые десятилетиями были основой глобальной системы хронометража. Разработка способна усовершенствовать фундамент, на котором базируются физика, навигация, телекоммуникации и бесчисленное множество высокоточных измерений.
«Точные измерения времени и частоты лежат в основе всей нашей системы физических единиц, — пояснил профессор Амар Вутха. — Поэтому повышение точности часов ведет к укреплению основ для любых физических измерений». Ученые стабилизировали оптический лазер с помощью одного захваченного атома стронция. Принцип работы любых точных часов основан на стабильном повторяющемся событии. В атомных часах роль «тика» выполняют электромагнитные колебания лазера. Квантовые колебания атома действуют как камертон, удерживающий лазер «в строю».
Ключевым прорывом команды стало охлаждение захваченного атома стронция до температуры ниже пяти градусов Кельвина (около -268 °C), что позволило резко сократить тепловое излучение и устранить один из основных источников погрешности. Эта криогенная среда позволяет атому выполнять роль «камертона» с гораздо более высокой стабильностью.
Сверхточный хронометраж имеет далеко идущие научные последствия. Базовые электрические стандарты, такие как ампер и вольт, опираются на исключительно точные измерения времени и частоты. Однако, возможно, самое глубокое применение сверхточных часов заключается в проверке фундаментальных законов природы.
«Наиболее успешным применением нового поколения оптических часов стала проверка гипотезы о неизменности фундаментальных констант природы», — отметил Вутха. Речь идет о таких величинах, как скорость света и постоянная Планка. «Провести такие эксперименты можно только с помощью атомных часов», — подчеркнул ученый.