Атомные часы, основанные на атомах иттербия, захваченных в оптических решетках, были разработаны физиками из Национального института стандартов и технологий США. Это позволит им, как ожидается, исследовать некоторые из самых загадочных явлений, наблюдаемых во Вселенной.
Атомные часы, разработанные в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST), продемонстрировали три новых достижения. Благодаря своей высокой точности, они способны не только обеспечивать отсчет времени и поддерживать навигацию, но и регистрировать слабые сигналы, исходящие из ранней Вселенной, гравитационные волны, а также, возможно, обнаруживать темную материю. Описание этой работы представлено в статье опубликована в журнале Nature.
Иттербий захватывается в оптические решетки, сформированные лазерными лучами, удерживая до тысячи атомов. Атомы тикают, атомы могут находиться в состоянии возбуждения, колеблясь или переходя между двумя энергетическими уровнями. Ученые из NIST достигли выдающихся результатов в трех ключевых аспектах: систематическая погрешность, стабильность и возможность воспроизведения.
Степень соответствия часов естественным колебаниям атомов, или их частоте, демонстрирует систематическую неопределенность. Ученые из NIST установили, что каждый прибор функционирует со скоростью, соответствующей естественной частоте, с отклонением не более чем в 1,4 промилле 18 — приблизительно одна миллиардная от одной миллиардной.
Стабильность определяется частотой колебаний часов меняется за определенный временной интервал. Это значение составило 3,2 части из 10 19 (или 0,00000000000000000032) за день.
Степень воспроизводимости определяется тем, насколько синхронно работают два устройства при использовании одинаковой частоты. Сравнительный анализ 10 пар часов показал, что разница между ними не превышает одной миллиардной от одной миллиардной.
В соответствии с Общей теорией относительности, атомные часы будут работать с меньшей скоростью: частота атомных колебаний уменьшается, а при увеличении гравитации — смещается в красную область электромагнитного спектра. Иными словами, время замедляется с уменьшением высоты.
Несмотря на негативное влияние красного смещения на точность отсчета времени, эта особенность позволяет проводить высокоточное измерение гравитации. Благодаря повышенной чувствительности, эти часы способны фиксировать гравитационные искажения пространства-времени с беспрецедентной точностью. Это можно применить для релятивистской геодезии, измеряющей гравитационную форму Земли, регистрации сигналов из ранней Вселенной — вроде гравитационных волн — и даже темной материи, о которой до сих пор почти ничего неизвестно.