Стремление к точному измерению времени стало движущей силой многочисленных научных прорывов. Недавнее исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, выявило беспрецедентную точность часов на оптической решетке, сверхточных атомных часов, что открывает путь к возможному переопределению секунды. Влияние этого достижения затрагивает как фундаментальную физику, так и различные практические области с возможным техническим и промышленным применением.
Чтобы полностью понять масштабы этого нового исследования, давайте углубимся в сложные детали одномерных оптических решетчатых часов, разработанных в рамках этого исследования. Во-первых, авторы тщательно спроектировали систему, в которой атомы заключены в одномерную оптическую решетку, образованную в вертикальной вакуумной полости (выровненной под действием силы тяжести). Эта конфигурация позволяет точно манипулировать и измерять состояния атомов, что является важным фактором в достижении высокоточных измерений времени.
Цикл Раби — ключ к точности измерения времени?
Эти часы с оптической решеткой основаны на спектре Раби. Помещая атомы в определенные квантовые состояния и возбуждая переходы на более высокие энергетические уровни, исследователи могут очень точно измерить долю возбужденных атомов. В исследовании особо выделяются тактовые переходы, которые на сегодняшний день наименее чувствительны к магнитному полю, сводя к минимуму внешние помехи, которые могут исказить результаты.
Контроль и измерение температуры также являются ключом к этому прорыву. Исследовательская группа под руководством Александра Эппли установила температурный зонд, оснащенный двумя датчиками для контроля температуры в месте расположения атомов. Особое внимание важно уделять термостабильности, поскольку даже небольшие колебания могут существенно повлиять на точность часов.
существовать В нем также рассматриваются аспекты технологии, которую исследователи называют «осевыми синими боковыми полосами» (BSB). Это явление вызвано конструкцией оптической решетки. Думайте об атомах как о шариках, помещенных в решетку. Иногда эти бусинки могут перепрыгивать из одного положения решетки в другое, такие переходы называются переходами Ванье-Старка (WS).
Эти сдвиги важны, поскольку они позволяют часам сохранять точность. Исследователи разработали математические модели, чтобы понять, как происходят эти переходы, принимая во внимание такие факторы, как структура решетки и температура. В результате они могут четко понимать, как работает их система.
Обратите внимание: Ураган Флоренция спровоцировал вторжение полчищ огненных муравьев в США.
Проще говоря, изучая, как атомы движутся и меняют положение внутри кристаллической решетки, исследователи могут заставить часы работать точно и надежно.Одним из наиболее поразительных аспектов этого исследования является точность, достигнутая при измерении тактовых переходов. Чтобы полностью это понять, сначала нужно понять, что на самом деле представляет собой Раби Спектр. Спектроскопия Раби — это метод, который использует колеблющиеся электромагнитные поля для изучения переходов между различными энергетическими уровнями атомов. В этом исследовании ученые использовали этот метод для измерения атомных переходов в оптической решетке часов.
Они применили электромагнитное поле на 2,43 секунды, чтобы возбудить атомы и наблюдать за их энергетическими переходами. Затем они вписывают эти данные в математическую модель, соответствующую циклу Раби, чтобы проверить точность измерений. Другими словами, этот метод позволил им с высокой точностью определить, когда и как часто атомы меняют энергетические уровни.
таким образом, общая системная ошибка часов на оптической решетке, использованных в исследовании, составляет 8,1 x 10-19 дробных единиц частоты, что является наименьшей ошибкой, достигаемой любыми часами. Это представляет собой чрезвычайно высокую степень точности измерений времени, что может иметь серьезные последствия для лежащей в основе физики и технологий, основанных на этих измерениях.
Широкие возможности применения, но впереди длинный туннель...
В фундаментальной физике часы на оптической решетке могут предоставить точные данные о свойствах времени и пространства, потенциально раскрывая ранее неизвестные аспекты механизмов, управляющих Вселенной. С практической точки зрения эти часы могут улучшить различные технологии, основанные на точном измерении времени, от систем глобального позиционирования (GPS) до телекоммуникаций и многого другого.
Однако путь к этому прогрессу полон ловушек. Это исследование подчеркивает важность тщательного планирования эксперимента и необходимость постоянного совершенствования методов. Поскольку исследователи теперь расширяют границы теории, им также приходится иметь дело со сложной средой переменных, которые могут повлиять на результаты, когда концепция применяется к существующей технологии.
И со временем это достижение может даже изменить определение секунды. В настоящее время секунды определяются с помощью очень точных атомных часов, но часы на оптической решетке (хотя они тоже атомные) могут быть еще более точными для этой задачи. Если использовать простую аналогию, это похоже на использование более точной линейки для измерения времени. Представьте, что до сих пор мы измеряли время с помощью линейки в миллиметрах. Новые часы напоминают линейку, измеряемую в микронах – тоньше и точнее.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Стремление к точности измерения времени всегда было движущей силой многочисленных научных прорывов.