Сверхточные атомные часы готовы к новым физическим открытиям

 


Одним из первых шагов в создании оптических атомных часов, используемых в этом исследовании, является охлаждение атомов стронция почти до абсолютного нуля в вакуумной камере, благодаря чему они выглядят как светящийся синий шар, плавающий в камере. фото: Шимон Колковиц


Физики Висконсинского университета в Мэдисоне создали одни из самых высокопроизводительных атомных часов в истории, объявили они 16 февраля в журнале Nature.


Их прибор, известный как атомные часы с оптической решеткой, может измерять различия во времени с точностью, эквивалентной потере всего одной секунды каждые 300 миллиардов лет, и является первым примером "мультиплексированных" оптических часов, где шесть отдельных часов могут существовать в одной и той же среде. Его конструкция позволяет команде тестировать способы поиска гравитационных волн, пытаться обнаружить темную материю и открывать новую физику с помощью часов.


"Оптические решетчатые часы уже являются лучшими часами в мире, и здесь мы получаем такой уровень производительности, которого никто раньше не видел",–говорит Шимон Колковиц, профессор физики из Калифорнийского университета в Мэдисоне и старший автор исследования. "Мы работаем как над повышением их производительности, так и над разработкой новых приложений, которые обеспечивают эту улучшенную производительность".


Атомные часы настолько точны, потому что они используют фундаментальное свойство атомов: когда электрон меняет уровни энергии, он поглощает или излучает свет с частотой, одинаковой для всех атомов определенного элемента. Оптические атомные часы отсчитывают время с помощью лазера, настроенного точно в соответствии с этой частотой, и для точного отсчета времени им требуются одни из самых современных лазеров в мире.


Для сравнения, у группы Колковица, по его словам, "относительно паршивый лазер", поэтому они знали, что любые часы, которые они построили, сами по себе не будут самыми точными или точными. Но они также знали, что для многих последующих применений оптических часов потребуются портативные, коммерчески доступные лазеры, подобные их. Разработка часов, которые могли бы использовать обычные лазеры, была бы благом.


В своем новом исследовании они создали мультиплексные часы, в которых атомы стронция могут быть разделены на несколько часов, расположенных в линию в одной и той же вакуумной камере. Используя только одни атомные часы, команда обнаружила, что их лазер был надежно способен возбуждать электроны в одном и том же количестве атомов только в течение одной десятой секунды.


Однако, когда они направили лазер на два циферблата в камере одновременно и сравнили их, количество атомов с возбужденными электронами оставалось одинаковым между двумя часами до 26 секунд. Их результаты означали, что они могли проводить значимые эксперименты гораздо дольше, чем позволял их лазер в обычных оптических часах.


"Обычно наш лазер ограничивал бы производительность этих часов", - говорит Колковиц. "Но поскольку часы находятся в одной и той же среде и испытывают один и тот же лазерный луч, эффект лазера полностью исчезает".


Затем группа спросила, как точно они могут измерить различия между часами. Две группы атомов, которые находятся в немного разных средах, будут тикать с немного разной скоростью, в зависимости от силы тяжести, магнитных полей или других условий.


Они провели свой эксперимент более тысячи раз, измеряя разницу в частоте тиканья своих двух часов в общей сложности около трех часов. Как и ожидалось, поскольку часы находились в двух немного разных местах, тиканье было немного другим. Команда продемонстрировала, что по мере того, как они проводили все больше и больше измерений, они могли лучше измерять эти различия.


В конечном счете, исследователи смогли обнаружить разницу в частоте тиканья между двумя часами, которая соответствовала бы их расхождению друг с другом всего на одну секунду каждые 300 миллиардов лет—измерение точного хронометража, которое устанавливает мировой рекорд для двух пространственно разделенных часов.


Это также было бы мировым рекордом по общей наиболее точной разнице частот, если бы не другая статья, опубликованная в том же номере журнала Nature. Это исследование проводилось группой в JILA, исследовательском институте в Колорадо. Группа JILA обнаружила разницу частот между верхней и нижней частями рассеянного облака атомов примерно в 10 раз лучше, чем группа UW–Мэдисона.


Их результаты, полученные с расстоянием в один миллиметр, также представляют собой кратчайшее расстояние на сегодняшний день, на котором теория общей теории относительности Эйнштейна была проверена с помощью часов. Группа Колковица рассчитывает в ближайшее время провести аналогичный тест.


"Удивительно то, что мы продемонстрировали ту же производительность, что и группа JILA, несмотря на то, что мы используем лазер на порядок хуже", - говорит Колковиц. "Это действительно важно для многих приложений в реальном мире, где наш лазер намного больше похож на то, что вы могли бы использовать в полевых условиях".


Чтобы продемонстрировать потенциальное применение своих часов, команда Колковица сравнила изменения частоты между каждой парой из шести мультиплексированных часов в цикле. Они обнаружили, что различия сводятся к нулю, когда они возвращаются к первым часам в цикле, подтверждая согласованность своих измерений и создавая возможность обнаружения крошечных изменений частоты в этой сети.


"Представьте, что облако темной материи проходит через сеть часов—есть ли способы, с помощью которых я могу увидеть эту темную материю в этих сравнениях?" - спрашивает Колковиц. "Это эксперимент, который мы можем провести сейчас, чего вы просто не могли сделать ни в одной предыдущей экспериментальной системе".


Источник










Обсудить:

0 comments:

Всегда рады услышать ваше мнение!