Ошибка в 39,6 миллиардов лет менее чем на одну секунду: самые точные в мире атомные часы установили новый рекорд
2024-08-19
한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina
Сколько длится 1 секунда? Как следует определять научную точность секунды? 22 сентября 2023 года Салон Мози имел честь пригласить Цзюнь Е, профессора кафедры физики Университета Колорадо и лауреата «Квантовой премии Мози», выступить с речью на темуВ речи в доступной для понимания форме были представлены основы исследования атомных часов, а также исследования исследовательской группы, направленные на постоянное повышение точности измерения времени.Можно ли улучшить верхний предел точности атомных часов? Последнее достижение команды Е Цзюня в очередной раз побило рекорд точности атомных часов, совершило скачок в точности измерения времени и установило новый стандарт для следующего поколения атомных часов. 24 января мы успешно разработали систему оптических часов с лучшими отечественными показателями () команда оптических часов из Университета науки и технологий Китая была приглашена физикой, чтобы представить этот результат.
Появление атомных часов в 1950-х годах ознаменовало крупный прорыв в нашей способности измерять время со сверхвысокой точностью.После 70 лет разработки на данный момент это самый точный прибор для измерения времени. Если бы он начал отсчет времени в начале Большого взрыва, его ошибка сейчас не превышала бы одной секунды.Эти точные атомные часы находят широкое применение в фундаментальной физике, метрологии, навигации и других областях. Дальнейшие улучшения могут привести к появлению ряда новых приложений и новых тестов фундаментальной физики.Однако достижение дальнейших улучшений сталкивается со многими проблемами, главными из которых являются шумы окружающей среды, такие как колебания магнитного поля и изменения температуры, а также сложные взаимодействия атомов, которые управляют работой часов, но которыми трудно управлять. Чтобы решить эти проблемы, исследователи из Американской объединенной астрофизической лаборатории (ДЖИЛА) и группа исследователей из Университета Колорадо в Боулдере побили рекорд точности атомных часов.▲ Рисунок 1:Атомы стронция находятся в1С0и3П0Переходы между состояниями служат эталоном для часов оптической решетки. Когда оптический сигнал резонирует с переходом, его частоту можно определить очень точно.
Исследовательская группа использовала оптические решеточные часы (OLC) на основе нейтральных атомов стронция для измерения частоты атомных переходов стронция, и погрешность их системы достигла 8,1×10.-19, что более чем вдвое превышает предыдущий рекорд (предварительная работа команды). Это достижение знаменует собой скачок в точности измерения времени и устанавливает новый стандарт для следующего поколения атомных часов.Самые ранние атомные часы использовали частоту микроволновых сигналов в качестве «маятника» для измерения времени. Сегодня лучшие методы измерения времени основаны на свете, излучаемом определенными атомными переходами, называемыми часовыми переходами. Высокая частота (обычно несколько сотен терагерц) и узкая ширина линий (обычно 1–100 миллигерц) этих переходов означают, что оптические атомные часы могут измерять время более точно, чем атомные часы на основе микроволнового излучения, которые работают на более низких частотах. Благодаря неустанным усилиям исследователей за последние несколько десятилетий оптические часы теперь работают более чем на два порядка лучше, чем микроволновые часы. Дальнейшее улучшение его производительности означает уменьшение размера систематических ошибок.Для достижения этой цели команды JILA и Университета Колорадо в Боулдере переоценили коэффициенты некоторых атомных параметров, которые имеют решающее значение для работы оптических атомных часов. В частности, исследователи исследовали часовой переход с наименьшей магнитной чувствительностью среди атомов стронция (3П0и1С0переходы между состояниями) были точно откалиброваны (см. рисунок 1) и определены коэффициенты Зеемана второго порядка.Коэффициент Зеемана описывает влияние магнитного поля на энергетический уровень электрона и, следовательно, изменение частоты излучаемого света во время соответствующего перехода. Обычно магнитно-нечувствительные переходы часов выбираются для минимизации доминирующего зеемановского сдвига частоты первого порядка, который снижает чувствительность часов к флуктуациям окружающего магнитного поля. Но более слабые эффекты второго порядка все еще существуют. Калибровка этого коэффициента позволила команде снизить неопределенность, вызванную сдвигом зеемановской частоты второго порядка, до 1×10.-19, что в два раза больше, чем при предыдущей калибровке.▲ Рисунок 2:В сентябре 2023 года на Международной конференции по новым квантовым технологиям 2023 года в Хэфэе Цзюнь Е, победитель «Квантовой премии Моцзы», выступил с замечательным докладом о награждении на месте.
Исследователи также обратились ко второму фактору, влияющему на погрешность часов: динамической коррекции излучения черного тела. Излучение черного тела может влиять на энергетические уровни атомов через их электрические поля, что является неизбежным следствием работы часов при комнатной температуре. Динамическая составляющая этого эффекта связана с дифференциальным сдвигом частоты между уровнями атомной энергии. В предыдущих поколениях часов на стронциевой оптической решетке точность была особенно ограничена.3П0Неопределенность смещения уровня энергии (высшего из двух состояний, определяющих часовой переход). Размер этого частотного сдвига связан с переходом внутри энергетического спектра излучения абсолютно черного тела, т.е.3П0и более высокие уровни энергии3Д1Переход между3Д1определяется сроком существования государства. Выполнив эти измерения, команда улучшила неопределенность смещения излучения черного тела по сравнению с предыдущими 1,5 × 10.-18Уменьшен до 7,3×10.-19. Сочетая снижение неопределенности сдвига частоты излучения черного тела с другими средствами контроля окружающей среды, такими как стабилизация температуры, исследователи определили, что все системные эффекты вносят вклад в общую неопределенность уровней энергии часового перехода до уровня менее 1 × 10.-18。Чтобы контролировать и измерять атомы в часах оптической решетки, исследователи также использовали оптическую решетку с «магической длиной волны». В ловушке оптической решетки энергетические уровни атомов могут дрейфовать под действием электрического поля лазерного луча. Однако в потенциальной яме, которой манипулируют с помощью магических длин волн, потенциальная яма одинакова независимо от электронного состояния атомов. Это означает, что относительные сдвиги частоты уровней энергии, индуцированные лазерным лучом между состояниями тактового перехода, минимизированы, что помогает сделать ширину линии перехода как можно более узкой. Исследователи также внедрили процедуру охлаждения, которая позволила им использовать неглубокую решетку для удержания атомов. Когда атомы более плотно удерживаются, частотный сдвиг энергетических уровней, вызванный лазерным лучом, больше, поэтому мелкий потенциал минимизирует этот частотный сдвиг.Эти методы позволяют их устройству превзойти точность всех предыдущих световых решетчатых часов, измеряя время с погрешностью менее одной секунды за 39,6 миллиарда лет. Последствия этого улучшения имеют далеко идущие последствия. Например, в сочетании с прогрессом команды из Колорадо новое поколение инструментов может установить новый стандарт для определения секунды. Будущие усилия могут быть сосредоточены на совершенствовании этих методов для дальнейшего снижения неопределенностей за счет, например, криогенной эксплуатации. Эту сверхточную измерительную технологию можно использовать для изучения фундаментальных проблем, стоящих на переднем крае физики, таких как возможность раскрытия квантовой природы гравитации и природы темной материи посредством наблюдений гравитационных волн.
Мози — известный мыслитель и учёный древней моей страны. Его мысли и достижения являются воплощением многообещающей науки ранней моей страны. Создание Салона Мози направлено на наследование и развитие научной традиции, пропаганду и развитие научного духа, повышение научной грамотности граждан и создание социальной атмосферы, способствующей развитию науки.
Салон Mozi ориентирован на широкую публику, которая любит науку, обладает духом исследования и любознательности. Благодаря личным публичным мероприятиям и разнообразным новым медиа-платформам мы надеемся позволить каждому понять самый передовой научный прогресс в мире. самые передовые научные идеи, исследуйте тайну науки и почувствуйте красоту науки.
Салон Mozi проводится Шанхайским научно-исследовательским институтом Китайского университета науки и технологий и Центром обмена квантовой науки и технологий Нанки в новом районе Пудун. Он поддерживается Фондом новых выпускников Китайского университета науки и технологий. Образовательный фонд Университета науки и технологий Китая, Ассоциация науки и технологий нового района Пудун, Китайская ассоциация науки и технологий при поддержке Комитета науки, технологий и экономики нового района Пудун.
