Высокоточные атомные часы вскоре могут стать еще лучше

Ученые полагают, что использование атома особого типа может сделать даже самые совершенные атомные часы более точными. Если этот прорыв подтвердится, он может привести к созданию более точных систем GPS и лучших атомных часов для использования в космических путешествиях — он может даже привести к созданию устройств, которые смогут обнаруживать землетрясения и извержения вулканов с более высоким уровнем точности. И что удивительно, у одного из исследователей, стоящих за этой разработкой, есть знакомое имя, основанное на подходящем семейном наследии, уходящем корнями в передовую атомную науку: Элиот Бор. Он правнук Нильса Бора.

Из всех единиц измерения, которые человечество использует для измерения, наиболее точно определена вторая, фундаментальная единица времени. Решающее значение для этого и для всех видов измерения времени на протяжении всей истории имели различные виды колебаний. Точно так же, как старинные часы используют колебания маятника для измерения времени, атомные часы определяют секунду как 9 192 631 770 микроволновых колебаний атома цезия, поскольку он поглощает микроволновое излучение определенной частоты.

Многие современные атомные часы для измерения времени используют колебания атомов стронция, а не цезия; самый точный из них имеет точность до 1/15 000 000 000 секунды. Это означает, что, даже если бы они шли с незапамятных времен, около 13,8 миллиардов лет назад, часы все равно не сбавили бы ни секунды. Тем не менее, для большинства атомных часов, которые используются для измерения всемирного координированного времени (UTC) по всему земному шару и обеспечения синхронизации наших мобильных телефонов, компьютеров и технологий GPS, все еще есть возможности для улучшения.

Это потому, что лазер, используемый для считывания колебаний атомов в атомных часах, при этом нагревает эти атомы, заставляя их покинуть систему. Это может создать некоторое несоответствие, хотя и невероятно незначительное. Тем не менее, исследователи из Института Нильса Бора считают, что они нашли способ полностью исключить лазер, избежав тем самым атомного нагрева и потенциального снижения точности. Это институт, названный в честь прадеда Элиота Бора, и с которым связан сам Бор.

«Мы обнаружили, что с помощью сверхизлучения можно считывать коллективное состояние атомного ансамбля, как того требуют атомные часы и датчики, с повышенной скоростью и с минимальным нагревом», — сказал ведущий исследователь Элиот Бор, доктор философии. . сотрудник института, рассказал Space.com. «Для выбранной нами экспериментальной геометрии существует порог возникновения сверхизлучения, и мы можем использовать этот порог в тактовой последовательности».

Атомные часы могли бы быть круче

В современных атомных часах около 300 миллионов горячих атомов стронция выбрасываются в магнитооптическую ловушку, расположенную внутри вакуумной камеры. Эта ловушка представляет собой шар атомов, охлажденный до температуры, близкой к абсолютному нулю — теоретической температуре, при которой любое движение атомов прекращается. Из-за таких температур введенные атомы лежат почти неподвижно. Это позволяет двум зеркалам со светом между ними регистрировать свои колебания.

«В традиционных атомных часах детектор нагревает атомы, что требует новой загрузки атомов», — сказал Бор. «Эта загрузка занимает некоторое время и вызывает простои в цикле атомных часов, ограничивая точность». Однако созданные командой «приостановленные» атомы, которые были так сильно охлаждены, могут быть повторно использованы. Это означает, что их не нужно будет заменять так часто, что приведет к более точным атомным часам.

Бор объяснил, что сверхизлучающие атомы — это атомы, которые существуют в коллективном квантовом состоянии и возбуждаются за счет добавления энергии в виде фотонов или частиц света. Когда атомы высвобождают энергию, вызванную фотонами, или «распадают», все они излучают свет в одном направлении и с повышенной скоростью. «Нельзя принципиально отличить, какой атом какой фотон испустил. Они испустили их вместе, коллективно», — добавил он. «Эта увеличенная скорость излучения позволяет фотонам испускаться гораздо быстрее в результате атомных переходов, которые используются в атомных часах».

Этот мощный световой сигнал можно использовать для считывания атомного состояния коллективных атомов стронция, а это означает, что лазер вообще не нужен. И опять же, поскольку этот процесс происходит без нагревания сверхизлучающих атомов более чем на минимальную величину, их не нужно будет заменять. Отказ от лазера не только позволит сделать атомные часы более точными, но и позволит создать более простые и портативные устройства. «Современные атомные часы теперь настолько точны, что чувствительны к гравитации», — сказал Бор. «Есть предложения, что если у нас будут портативные и достаточно точные атомные часы, мы сможем разместить их стратегически и лучше предсказывать землетрясения и извержения вулканов, измеряя определенные изменения гравитации».

Революционная атомная наука — семейное дело

Выходец из рода ученых, оказавших влияние на наше понимание субатомного мира, Бор вполне может иметь такого рода исследования в своей крови. Самым известным представителем этой линии является его прадед Нильс Бор, один из отцов квантовой физики и учёный, внесший огромный вклад в понимание структуры атома, без которого подобные исследования не могли бы состояться.

В 1913 году Нильс Бор вместе с Эрнестом Резерфордом представил модель атома, предполагая, что это плотное ядро, окруженное вращающимися по орбитам электронами. Хотя эта «модель Бора» атома сейчас считается относительно упрощенной по сравнению с подробными диаграммами, которые мы имеем сейчас, спустя 111 лет после ее создания, она все еще используется для ознакомления студентов с концепцией атома в классах по всему миру. Связь семьи Элиота Бора со структурой атома также глубже.

Его дедушка — Оге Нильс Бор, который в 1975 году был удостоен Нобелевской премии по физике вместе с Беном Роем Моттельсоном и Джеймсом Рейнуотером за открытие связи между коллективным движением и движением частиц в атомных ядрах. Это привело к разработке усовершенствованной теории строения атомного ядра. «И мой прадед, и мой дед очень вдохновляли меня», — сказал Бор.

«Они оба работали над теоретической работой, изучая атом и ядро. Теория моего прадеда о том, что атомы могут поглощать фотон определенной длины волны и переходить в возбужденное состояние или испускать фотон и распадаться в более низкое состояние, — это именно то, что мы делаем это в нашей лаборатории каждый день, используя лазеры».

Бор добавил, что особенно вдохновляет его непредвзятость, продемонстрированная его прадедом и коллегами. «Эти концепции совершенно неинтуитивны, но благодаря строгим данным и дебатам они приняли эти новые «квантовые» правила», — сказал Бор. «Теперь мы принимаем их и используем во многих наших современных технологиях. Я надеюсь внести свой вклад в разработку следующих квантовых технологий, которые принесут пользу обществу».

Что касается его исследования сверхизлучающих атомных часов, Бор сказал, что существует множество возможностей для будущих достижений. Группа, в которой он состоял в Копенгагене, сейчас продолжает изучать различные свойства сверхизлучающего света, чтобы увидеть, как его можно использовать в других ситуациях. Тем временем Бор начал постдокторскую исследовательскую должность в JILA, совместном институте Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Колорадо в Боулдере. Это лаборатория, которая также изучает сверхизлучение и другие коллективные атомные эффекты для квантовых датчиков следующего поколения.

«Я планирую продолжить исследование коллективных квантовых эффектов, которые можно использовать в часах и датчиках», — заключил он. «У нас есть некоторые идеи по дальнейшему совершенствованию метода, такие как поиск оптимальных параметров, понимание и снижение уровня шума в сверхизлучательном сигнале. «Есть много возможностей использовать сверхизлучение для развития часов и сенсорных технологий».