Учёные из Национального университета Сингапура создали новый тип сверхточных атомных часов, отказавшись от давно используемых веществ вроде цезия и рубидия. Физики впервые показали возможность работать с атомами лютеция — истинного «тяжеловеса» среди других элементов для атомных оптических часов. За счёт большей массы лютеций вносит меньше погрешностей в измерения и делает их точнее, добиваясь рекордных показателей точности определения времени. 

Источник изображения: ИИ-генерация Grok/3DNews

Атомная масса лютеция составляет 71. Он находится в конце ряда лантаноидов, сразу после иттербия. Это крайне редко встречающийся в природе металл. Но его свойства крайне ценны для создания атомных оптических часов. За счёт чрезмерной тяжести атома его собственные колебания намного меньше, чем у того же цезия. Более того, частота используемого в часах на лютеции оптического перехода составляет около 354 ТГц — примерно в 10 000 раз выше частоты микроволнового перехода, используемого в цезиевых атомных часах. Сочетание этой частоты и пониженного уровня ошибок — это то, что делает часы на лютеции максимально точными на сегодняшний день.

Также «тяжесть» атомов лютеция делает их менее чувствительными к магнитным полям и перепадам температур. Это означает, что атомные часы на их основе будут одинаково точны на Северном полюсе и в Сахаре.

Для эксперимента использовался один ион изотопа лютеция-176, удерживаемый в специальной электромагнитной ловушке при комнатной температуре. Лазер с длиной волны около 848 нм переводил ион между двумя энергетическими состояниями. Именно частота этого перехода использовалась как чрезвычайно стабильный эталон времени.

В эксперименте две независимые установки сравнивали между собой около 200 часов. Их частоты совпали с относительным расхождением около 10-19, а достигнутая систематическая неопределённость (вносимая внешними факторами погрешность) составила 1,2 и 1,3 × 10-19 для обеих установок. Это примерно в четыре раза лучше предыдущего рекорда точности оптических атомных часов на ионах кальция, установленного китайскими учёными.

Достигнутая точность означает, что часы способны замечать чрезвычайно малые изменения частоты, возникающие даже из-за различий в гравитационном потенциале. Например, подобные оптические часы потенциально позволяют измерять изменения высоты на миллиметровом масштабе. В перспективе их можно применять для сверхточной геодезии, проверки общей теории относительности и поиска очень слабых изменений фундаментальных физических констант. В частности, это может быть важно для создания единой теории гравитации. При этом установка работает при обычной комнатной температуре и не требует сложной криогенной системы, что делает технологию перспективной для создания новых эталонов времени.