Атомные часы станут идти точнее

Группа ученых из национального института стандартов и технологий в г. Боулдер, штат Колорадо, под руководством Дэвида Уайнлэнда (David Wineland) воспользовалась технологией, разрабатывавшейся для квантовых компьютеров и позволяющей с высокой точностью измерять параметры ионов.

В атомных часах время «отмеряют» по колебаниям между двумя энергетическими состояниями атома. В существующих в настоящее время атомных часах используются микроволновые переходы между уровнями атома цезия. Тем не менее, часы, в основе которых лежали бы более «быстрые» переходы между уровнями, излучение которых приходится на оптическую область спектра, теоретически могли бы быть существенно точнее. Они, в частности, позволили бы создать более точные эталоны времени, а также найти применение в проверке неизменности со временем фундаментальных физических констант.

На роль кандидата для построения оптических часов подходит ион алюминия из-за близости двух его энергетических состояний. Тем не менее, создание таких часов наталкивается на серьезные технические трудности — ионы невозможны охладить, а также воспользоваться для проведения измерений существующими методиками лазерных измерений.

Американские ученые смогли преодолеть эти трудности. Для этого они образовали пару из иона алюминия и иона бериллия, который легко охладить и измерить. Использование сверхолодных ионов позволяет существенно повысить точность проводимых измерений за счет уменьшения допплеровского эффекта.

Как сообщает PhysicsWeb, для этого ученые поместили два иона в электромагнитную ловушку Паули, после чего с помощью лазера образовали квантовую суперпозицию основного и возбужденного состояний иона алюминия. Оба иона затем подверглись охлаждению до динамического основного состояния ловушки. Затем с помощью другого лазера была создана суперпозиция динамических состояний обоих ионов. И, наконец, с помощью еще одного лазерного импульса эта суперпозиция была переведена в суперпозицию внутренних состояний иона бериллия, состояние которого можно контролировать с помощью уже существующих методик лазерной спектроскопии.

«С помощью этой методики мы можем детектировать состояние иона бериллия, который дает нам ту же самую информацию, что и при непосредственном измерении иона алюминия, — заявил один из авторов работы, Пиет Шмидт (Piet Schmidt), в настоящее время сотрудник университета Инсбрука в Австрии. — Тем самым открывается перспектива спектроскопии намного большего количества атомов с интересными спектроскопическими свойствами». В частности, она может найти применение в определении перспектив использования в оптических часах атомов бора, гелия и других химических элементов. Крайне нуждаются во все более точных и компактных атомных часах и военные. Так, американским ученым удалось в 2004 году довести размер атомных часов до объема, меньшего десяти кубических миллиметров, и, соответственно, значительно снизить их энергопотребление. Сверхточные атомные эталоны времени в военной технике различного назначения значительно снизят потребность в синхронизации по высокоточным сигналам спутников GPS, либо позволят полностью отказаться от нее, а также использовать точные эталоны времени там, где нет возможности принимать спутниковые сигналы — например, под водой. Широкое применение сверхточных атомных часов повысит помехозащищенность аппаратуры, позволит создавать в боевых условиях более устойчивые беспроводные сети передачи данных, а также использовать режимы сверхбыстрого переключения частот.