Международная группа исследователей создала новый тип атомных часов, стабильность работы которых составляет 1.6х10^-18. Что означает эта цифра? Это означает погрешность в 0.23 секунды при измерении возраста Земли, промежутка времени в 4.54 миллиарда лет, погрешности в 66 миллиметров при измерении расстояния от Земли до Альфы Центавра, которое составляет 4.37 световых года. Теперь, используя чрезвычайно высокую точность новых часов, ученые смогут точно отслеживать релятивистские изменения в различных движущихся объектах, уточнять значения некоторых физических констант, проверять фундаментальные законы физики, вывести земную и космическую навигацию на совершенно новый уровень точности.

Ученые из американского Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST), совместно с учеными из университета Колорадо, итальянского Национального института метрологических исследований и Политехнического университета Турина, построили атомные часы, основой которых являются атомы иттербия (Yb-171). Эти атомы, пойманные в ловушку оптической решетки, охлаждены светом лазера до температуры в 10 микроКельвинов, 10 миллионных частей градуса выше абсолютного нуля.

На пути к созданию этих часов ученым пришлось столкнуться со многими проблемами технического плана, такими, как влияние различного рода электромагнитных явлений, которые искажают результаты измерения частоты. К таким явлениям относиться эффект Дикке (Dickt effect), который определяет нежелательное вмешательство света лазера в измерение частоты, эффекты Штарка и Зеемана, которые определяют изменения спектров испускаемых волн под воздействием электрических и магнитных полей, и, конечно же, Допплеровский эффект, возникающий вследствие движения атомов иттербия.

Иттербиевые часы NIST содержат два "облака" по 5 тысяч атомов, которые заключены в ловушки оптических решеток, представляющих собой электромагнитную сеть из череды потенциальных ям и пиков, созданных с помощью многократного отражения света лазерного луча. Для препятствования смещения атомов под воздействием эффекта Старка исследователи подобрали очень точно длину волны лазерного света, которая составила 579 нм.



После охлаждения и стабилизации облака атомов иттербия начинают раскачиваться между двумя квантовыми состояниями, от самого низкого энергетического состояния к более высокому, и назад. С помощью света дополнительного лазера производится измерение текущего квантово-спинового состояния облаков атомов иттербия, а большое количество атомов в облаке позволяет компенсировать влияние эффектов Зимана и Старка. Уровень флюоресценции позволяет вычислить количество атомов в облаке, находящихся в высоком и в самом низком энергетическом состоянии. Затем производятся измерения состояния атомов второго облака, в то время, как атомы первого облака снова стабилизируются и возвращаются в исходное состояние. Получая данные о колебаниях атомов обоих облаков, устройство определяет среднюю частоту их колебаний в течение достаточно длительного промежутка времени, вычисляет и компенсирует внутреннюю нестабильность этих часов.

Следует заметить, что в данном случае заявленная точность хода иттербиевых часов может считаться достоверной только в течение длительного промежутка времени, она обратно пропорциональна квадратному корню от времени осуществления выборки. Заявленная точность в 1.6х10^-18 достигается только за время в 25 тысяч секунд (6.94 часа).

Несмотря на то, что заявленная точность иттербиевых часов уже и так является рекордным значением, ученые считают, что они смогут в недалеком будущем добиться еще больших результатов. Используя облака, состоящие из большего количества атомов, более качественные методы защиты от внешних воздействий, новые методы для управления оптическими решетками, ученые собираются добиться достижения такого же значения стабильности за более короткий промежуток времени, за 100 секунд.