Физикам удалось найти отношения частот оптических атомных часов на основе атомов алюминия, стронция и иттербия с относительной точностью в интервале между 6 × 10−18 и 8 × 10−18. Таким образом ученые впервые сравняли порядок ошибки при сравнении показаний двух оптических часов на разных атомах с точностью измерения времени на этих устройствах. Между двумя из использованных устройств, расположенных на расстоянии 1,5 километров, исследователи наладили оптическую связь по воздуху и использовали ее для сравнения частот часов, что тоже удалось сделать в первый раз. В будущем такая технология позволит, к примеру, устанавливать оптические часы на спутники и сверяться с ними на большом расстоянии. А накопленные данные исследователи использовали для того, чтобы наложить ограничения на существование легчайших частиц темной материи. Статья опубликована в журнале Nature.
Атомные часы — самый точный на настоящий момент способ измерения времени. Принцип их работы основан на том, что каждый атом может излучать и поглощать фотоны только с определенными частотами, которые являются резонансными для конкретного атома. Эти частоты практически не зависят от внешних факторов и определяются законами квантовой механики, ведь согласно ей атом — система с дискретными энергетическими уровнями со строго заданным положением, при переходе между которыми электрон и должен излучить или поглотить фотон определенной энергии, а значит и частоты. Так, с 1968 года эталон секунды определен как 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры атома цезия-133.
Основа самих атомных часов на цезии-133 — микроволновый резонатор, настроенный на используемую микроволновую частоту перехода в атоме. Такие устройства позволяют измерять время в секундах с точностью до 16 знаков после запятой, но их точность ограничена возможностью измерения и контролирования отклонений в десятки микрогерц в искомой резонансной частоте. Поэтому на смену микроволновым атомным часам пришли оптические: в них в качестве эталона используются такие переходы в атомах, которые приводят к возникновению фотонов с частотой в оптическом диапазоне. В таких часах резонансная частота иногда в 100 тысяч раз больше, чем у их микроволновых предшественников, что позволяет добиваться улучшения стабильности часов и уменьшения относительной статистической погрешности в определении времени в 100 раз, то есть до 10-18.
Однако, чтобы использовать оптические атомные часы в практических задачах, физикам нужно уметь сравнивать их частоты с той же точностью, с которой они измеряют время. И хоть ученые добились такой точности для сравнения работы устройств, в которых используются одни и те же атомы, для атомных часов с различными резонансными частотами все существенно хуже. Так, наименьшая относительная погрешность сравнения таких частот до недавнего времени составляла лишь 2,5 × 10−17. Между тем только для стронция-86 и ртути-199 измерения отношения оптических резонансных частот были проведены в двух независимых лабораториях: значение совпало в пределах суммарной относительной погрешности в 2 × 10−16 (работы [1] и [2]).
Умение проводить такие сравнения с большей точностью необходимо для целого ряда задач в рамках поиска Новой физики. Так, оптические часы позволяют искать отклонения значений фундаментальных констант, с их же помощью ученые пытаются найти следы легкой темной материи. Кроме того, развитие этой технологии позволило бы использовать оптические часы и в технике: к примеру, они бы смогли существенно повысить точность геодезии и создать более точную глобальную систему хронометража. Но для этого есть еще одна преграда: сравнение резонансных частот оптических часов пока осуществлялась только с помощью приведения двух таких устройств в контакт с помощью оптоволоконных линий, а физикам хотелось бы иметь возможность делать такую калибровку по воздуху. Такой возможностью до недавнего времени могли похвастаться только микроволновые атомные часы.
Теперь же ученые из коллаборации BACON (Boulder Atomic Clock Optical Network) одновременно смогли и улучшить точность сравнения частот оптических часов на различных атомах, и использовать при этом передачу информации между двумя часами по воздуху. Физики измерили отношения резонансных частот трех оптических часов, двое из которых были расположены в кампусе Национального института стандартов и технологий (NIST), а одни — в институте JILA. Оба учреждения расположены в городе Боулдер, что позволило физикам соединить оптические часы на основе атомов алюминия-27 и иттербия-171 в NIST и стронция-87 в JILA с помощью оптоволоконной линии длиной 3,6 километра и линии связи в оптическом диапазоне по воздуху длиной 1,5 километра.
Для передачи информации о частоте атомных часов использовались оптические частотные гребенки — устройства, позволяющие с высокой точностью измерять частоту регистрируемого излучения. Именно с их помощью измерялась частота лазеров, которые были напрямую связаны с оптическими часами и их частотами, и излучение которых перенаправлялось между лабораториями по оптоволокну, а в случае сравнения частот часов с иттербием и стронцием — и по воздуху. Относительная погрешность, которую оптические частотные гребенки вносили в измерения, оказалась равна всего 5 × 10−19, а наибольшую погрешность давали системы, контролирующие калибровку лазера при его взаимодействии с оптическими часами.
В результате исследователям удалось измерить отношения частот перехода 1S0 ↔ 3P0 (частота которого и являлась резонансной для оптических часов) в атомах алюминия-27, иттербия-171 и стронция-87 с относительной точностью в пределах между 6 × 10−18 и 8 × 10−18. Такая точность измерений на порядки больше предыдущих результатов, ранее полученных коллаборацией и другими лабораториями.
Кроме того, как уже упоминалось, отношения частот оптических часов очень чувствительны к физике за пределами Стандартной модели. Так, ряд моделей предсказывает существование крайне легких бозонных частиц темной материи, которые могут приводить к колебаниям значений фундаментальных констант. Такие колебания при их наличии неизбежно будут приводить к периодическим изменениям положения энергетических уровней в атомах, а значит с помощью продолжительного измерения отношения частот атомных часов можно наложить ограничения на взаимодействие таких темных легких бозонов с материей. Именно это и сделали участники коллаборации BACON: накопленных данных оказалось достаточно для усиления ограничений на константу взаимодействия темной материи вплоть до одного порядка на диапазоне масс темных частиц от 10-23 до 10-18 электронвольт.
По информации https://nplus1.ru/news/2021/03/25/atomic-clock-comparison
Обозрение "Terra & Comp".
