Научниците го создадоа најточниот часовник во светот

Атомски часовник изработен со елементот лутециум во Центарот за квантни технологии при Националниот универзитет на Сингапур постави нов стандард во точноста на мерењето на времето.

Резултатите објавени во списанието „Нејчр“ покажуваат дека фреквенцијата на преминот на часовникот е измерена до 19 децимални места, со несигурност од 1 × 10⁻¹⁹.

Ова е најниската вредност досега пријавена за кој било оптички атомски часовник.

Главниот истражувач во Центарот за квантни технологии и вонреден професор на Катедрата за физика при Националниот универзитет на Сингапур, Мареј Барет, изјави дека е уверен оти часовникот со кој располагаат во моментов е најпрецизниот во светот.

Атомските часовници го мерат времето врз основа на атомски премин – појава при која електронот на атомот преминува меѓу енергетски нивоа со постојана фреквенција.

Ласерот се приспособува да одговара на овој премин, а осцилациите на неговата светлина го означуваат времето, слично на движењето на нишалото кај класичниот часовник.

Кај часовникот на Центарот за квантни технологии, референтната вредност доаѓа од еден електрично наелектризиран атом, односно јон на лутециум-176, чиј премин се совпаѓа со ласер со бранова должина од 848 нанометри.

Температурните промени и магнетните полиња можат да ја променат фреквенцијата на преминот што атомскиот часовник ја користи за мерење на времето.

Поради тоа, истражувачите мора да ги земат предвид овие влијанија кога ја проценуваат точноста на часовникот. Преминот кај лутециумот речиси воопшто не е засегнат од овие два фактора, што овозможува стабилна референтна вредност во широк спектар услови.

Барет истакна дека ваквите карактеристики овозможуваат висока точност дури и во многу различни средини. Според него, часовникот со лутециум би останал стабилен дури и ако се пренесе од Долината на смртта, каде што се измерени едни од највисоките температури на Земјата, до најстудените делови на Антарктичкото Плато.

Тимот почнал да го истражува лутециумот пред повеќе од една деценија, сметајќи дека неговите својства би можеле да го направат еден од најдобрите елементи за прецизно мерење на времето.

Претворањето на оваа можност во функционален часовник барало повеќегодишно прецизно инженерство и детално мерење на својствата на атомот.

Истражувачите развиле и метод наречен „хиперфино усреднување“ за дефинирање на преминот на часовникот. Според нивните сознанија, тимот и натаму е единствената истражувачка група што користи лутециум за вакво прецизно мерење на времето.

Истражувачите изработиле два часовника со лутециум и ја споредувале нивната работа во период од 200 часа, користејќи техника наречена корелациска спектроскопија.

Часовниците се совпаѓале со несигурност од 5,7 × 10⁻¹⁹. Според истражувачите, ова претставува најпрецизна споредба на часовници досега. Се очекува дополнителните мерења уште повеќе да ја намалат оваа несигурност.

Кајл Арнолд, виш истражувач во Центарот за квантни технологии и еден од главните автори на трудот, потсети на шеговитата изрека дека човек со еден часовник знае колку е часот, додека човек со два часовника никогаш не е целосно сигурен.

Според Арнолд, суштината е во тоа што единствениот начин да се провери точноста на одреден стандард е часовниците да се споредуваат и да се покаже дека резултатите можат постојано да се повторуваат.

Гравитацијата го забавува текот на времето, поради што часовниците поставени на различни височини работат со минимално различна брзина. Оптичките атомски часовници што функционираат на ниво на точност од 10⁻¹⁹ можат да го забележат овој ефект дури и при висински разлики од само неколку милиметри.

Споредбата направена во Центарот за квантни технологии може да ја регистрира разликата од само пет милиметри меѓу два часовника поставени на иста маса. За таа разлика да не влијае врз резултатите, истражувачите независно ја измериле релативната височина на двата јона на лутециум со точност подобра од еден милиметар.

Ваквата чувствителност на гравитацијата го отежнува и споредувањето на часовникот со лутециум со другите водечки атомски часовници во светот. Разликите во гравитацијата меѓу различни локации на Земјата сè уште не се познати со доволна прецизност за нивното влијание јасно да се одвои од разликите во работата на часовниците на ова ниво на точност.

Барет изјави дека во моментов не гледа како во иднина би можела да биде надмината точноста на овој часовник.

Атомите на цезиум од 1960-тите години служат како основа за дефинирање на секундата, додека атомските часовници со цезиум го поддржуваат глобалниот систем за позиционирање и помагаат во синхронизацијата на комуникациските и транспортните мрежи.

Оптичките часовници користат многу повисоки фреквенции на премин, што овозможува да се избројат повеќе осцилации во ист временски интервал и на тој начин времето да се мери попрецизно.

Претходните рекордери користеле итербиум, стронциум и алуминиум. Тимот од Центарот за квантни технологии наведува дека часовникот со лутециум ги надминал перформансите постигнати со овие елементи.

Со понатамошниот развој на овие часовници, меѓународните организации задолжени за временските стандарди ги разгледуваат нивните мерења како дел од подготовките за можно ново дефинирање на секундата, што се очекува во 2030 година или подоцна.

Чувствителноста на овие часовници на гравитацијата може да биде корисна и надвор од лабораториите, овозможувајќи им на истражувачите да ги следат промените во гравитацијата на различни места на Земјата. Уште попрецизните часовници би можеле да помогнат и во истражувањето на нерешени прашања од фундаменталната физика.

Мајкл Ли, докторанд во тимот на Националниот универзитет на Сингапур и еден од главните автори на трудот, изјави дека следниот чекор е лабораторискиот часовник да се намали и да се претвори во пренослив систем.

Изнесувањето на часовникот надвор од лабораторијата би овозможило нови споредби и истражување на неговата практична примена. Тимот очекува дека системот може да биде значително намален без притоа да се наруши неговата точност.