Особливий тип випромінювання дає змогу підвищити точність вимірювання часу: що з'ясували фізики

Якщо нова теорія фізиків підтвердиться, то це може призвести до створення більш точних систем GPS і кращих атомних годинників. Це може також призвести до створення пристроїв, які зможуть виявляти землетруси і виверження вулканів із вищим рівнем точності. І що дивно, один з авторів дослідження, опублікованого в журналі Nature Communications, Еліот Бор, є правнуком знаменитого фізика Нільса Бора, пише Space.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

З усіх одиниць вимірювання, які людство використовує для вимірювання, найточніше визначено секунду, фундаментальну одиницю часу. Вирішальне значення для цього і для всіх видів вимірювання часу протягом усієї історії мали різні види коливань. Точно так само, як старовинний годинник використовує коливання маятника для вимірювання часу, атомний годинник визначає секунду як 9 192 631 770 мікрохвильових коливань атома цезію, оскільки він поглинає мікрохвильове випромінювання певної частоти.

Багато сучасних атомних годинників для вимірювання часу використовують коливання атомів стронцію, а не цезію. Найкращий годинник має точність до 1/15 000 000 000 000 секунди. Це означає, що, навіть якби цей годинник йшов від початку появи Всесвіту 13,8 млрд років тому, він все одно не втратив би ні секунди. Проте для більшості атомних годинників, які використовуються для вимірювання всесвітнього координованого часу на Землі і забезпечення синхронізації мобільних телефонів, комп'ютерів і технологій GPS, все ще є можливості для поліпшення.

Річ у тім, що лазер, який використовується для зчитування коливань атомів в атомному годиннику, при цьому нагріває ці атоми, змушуючи їх покинути систему. Це може створити деяку невідповідність, хоча і дуже незначну. Проте фізики вважають, що вони знайшли спосіб повністю виключити лазер і уникнути тим самим нагрівання атомів і потенційного зниження точності.

За словами вчених, вони виявили, що за допомогою надвипромінювання можна зчитувати колективний стан атомів, як того вимагає атомний годинник, з підвищеною швидкістю і з мінімальним нагріванням.

У сучасному атомному годиннику приблизно 300 млн гарячих атомів стронцію викидаються в магнітооптичну пастку, розташовану всередині вакуумної камери. Ця пастка являє собою кулю з атомів, охолоджену до температури, близької до абсолютного нуля. Через це атоми перебувають майже в нерухомому стані. Це дає змогу двом дзеркалам зі світлом між ними реєструвати коливання атомів.

За словами вчених, у традиційному атомному годиннику атоми нагріваються, що вимагає нового завантаження атомів. Це завантаження займає деякий час і спричиняє простої в циклі атомного годинника, обмежуючи його точність. Але створені фізиками "призупинені" атоми можуть бути використані повторно. Це означає, що їх не потрібно буде замінювати так часто, що призведе до більш точного атомного годинника.

За словами вчених, надвипромінювальні атоми — це атоми, які існують у колективному квантовому стані та збуджуються за рахунок додавання енергії у вигляді фотонів або частинок світла. Коли атоми вивільняють енергію, спричинену фотонами, всі вони випромінюють світло в одному напрямку і з підвищеною швидкістю.

Ця збільшена швидкість випромінювання дає змогу фотонам виходити набагато швидше внаслідок атомних переходів, які використовуються в атомних годинниках. Цей потужний світловий сигнал можна використовувати для зчитування атомного стану колективних атомів стронцію, а це означає, що лазер взагалі не потрібен. Оскільки процес відбувається без нагрівання надвипромінювальних атомів більш ніж на мінімальну величину, їх не потрібно буде замінювати.

Відмова від лазера не тільки дасть змогу зробити атомний годинник більш точним, а й дасть змогу створити простіші та портативніші пристрої. Учені вважають, що якщо буде створено портативний і досить точний атомний годинник, то можна буде краще передбачати землетруси і виверження вулканів, вимірюючи певні зміни гравітації.

Як уже писав Фокус, фізики змогли зупинити рух світла в кристалі. Зупинка хвиль світла допоможе знайти нові способи створення більш досконалих фотонних пристроїв.