Американски учени създадоха най-точния часовник в историята – той е толкова точен, че поставя под въпрос самата секунда

Американски учени поставиха нов рекорд: Националният институт за стандарти и технологии (NIST) създаде най-точния часовник в света. Постижението се основава на алуминиев йон, задържан в електромагнитен капан. Това не е просто поредната оптична система – точността е достигнала 19 знака след десетичната запетая, надминавайки всички предишни постижения в областта на измерването на времето.

Важна е не само високата надеждност, но и стабилността на хода. Новата система е 2,6 пъти по-устойчива на шумове в сравнение с други йонни часовници.

Този резултат се дължи на дълбоко преработване на цялата структура: от геометрията на капана и свойствата на покритието до конфигурацията на вакуумната камера и оптичните компоненти. По отношение на точността системата подобри предишния световен рекорд с 41%. Алуминиевият йон е идеален за прецизни измервания – той проявява стабилни колебания и слабо се влияе от външни фактори като температура или магнитни смущения, но е трудно да се охлажда с лазер и да се отчита директно. За да решат този проблем, учените добавят спомагателен елемент – магнезиев йон.

Този подход е известен като квантова логическа спектроскопия. Магнезият е по-лесен за управление: той охлажда алуминия, синхронизира движението си с него и предава информация за състоянието му. В резултат на това отчитането се основава на поведението на „партньора“, а не на най-труднодостъпния елемент. Това позволява да се използват предимствата на алуминия, като същевременно се избягват свързаните с него ограничения.

Въпреки тази синхронизация системата се сблъска с технически предизвикателства.

Едно от тях беше прекомерното микродвижение на йоните поради асиметричните електрически полета. То не е видимо визуално, но се отразява на стабилността на сигнала. Екипът преработи капана: подсили субстрата с диамантена основа и пренастрои златното покритие на електродите. Това помогна да се премахнат изкривяванията и да се стабилизира системата.

Вакуумната камера също се нуждаеше от значително подобрение. Предишният корпус от неръждаема стомана отделяше водород, което пречеше на точните измервания. Газовите молекули се сблъскваха с йоните, което нарушаваше поведението им и налагаше редовното рестартиране на процеса. Новият титанов корпус намалява съдържанието на водород 150 пъти. Сега часовникът може да работи непрекъснато в продължение на няколко дни, докато преди се налагаше нулиране на всеки 30 минути.

Един от най-чувствителните елементи на системата остава лазерът, който се използва за отчитане на честотата.

Версията от 2019 година изискваше седмици осредняване, за да се потиснат колебанията. За това помогна лабораторията на Джун Йе в JILA, съвместен център между NIST и Университета на Колорадо в Боулдър, който управлява един от най-стабилните лазери в света.

Сигналът от лабораторията JILA беше изпратен до съоръжението чрез 3,6-километрова оптична линия, положена под земята. Честотата беше синхронизирана с лазера на алуминиевия часовник с помощта на оптичен гребен осцилатор – устройство, което служи като „линийка“ на честотата. Това позволи стабилността на еталонния лазер да бъде пренесена в операционната система.

След този ъпгрейд беше възможно да се задържи възбуденото състояние на йона за цяла секунда – вместо предишните 150 милисекунди. Това намали времето, необходимо за високоточни измервания от няколко седмици на ден и половина.

В допълнение към рекорда за прецизност часовниците се превърнаха в цялостна платформа за квантови изследвания. Тяхната структура е подходяща за тестване на нови архитектури: например, системи с множество йони или заплетени състояния. Това открива пътя към по-сложни квантови логически схеми и прецизна метрология.

Разработката също така доближава международната общност до предефинирането на секундата. Атомните часовници от следващо поколение могат да измерват геофизични ефекти, включително разлики в гравитационния потенциал на различни височини, с непостижима досега точност. Нещо повече, те могат да се използват за проверка на това дали основните физични константи се променят с течение на времето.