Ovaj ionski sat je najtočniji sat na svijetu

Istraživači američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) poboljšali su svoj atomski sat na temelju zarobljenog aluminijevog iona. Kao dio najnovijeg vala optičkih atomskih satova, može mjeriti vrijeme s točnošću od 19 decimalnih mjesta.

Optički satovi se obično ocjenjuju na dvije razine, točnost (koliko je sat blizu mjerenju idealnog "pravog" vremena, poznatog i kao sustavna nesigurnost) i stabilnost (koliko učinkovito sat može mjeriti vrijeme, povezano sa statističkom nesigurnošću).

Ovaj novi rekord u točnosti proizlazi iz 20 godina kontinuiranog poboljšanja aluminijskog ionskog sata. Osim najbolje svjetske točnosti, 41% veće od prethodnog rekorda, ovaj novi sat je također 2,6 puta stabilniji od bilo kojeg drugog ionskog sata. Postizanje ovih razina značilo je pažljivo poboljšanje svakog aspekta sata, od lasera do zamke i vakuumske komore.

„Uzbudljivo je raditi na najtočnijem satu ikad“, rekao je Mason Marshall, istraživač NIST-a i prvi autor rada. „U NIST-u imamo priliku provoditi ove dugoročne planove u preciznim mjerenjima koji mogu unaprijediti područje fizike i naše razumijevanje svijeta oko nas.“

Aluminijev ion stvara iznimno dobar sat, s izuzetno stabilnom, visokofrekventnom brzinom "otkucavanja". Njegovi otkucaji su stabilniji od otkucaja cezija, što daje trenutnu znanstvenu definiciju sekunde, rekao je David Hume, fizičar NIST-a koji vodi projekt sata s aluminijevim ionima. A aluminijev ion nije toliko osjetljiv na neke uvjete okoline, poput temperature i magnetskih polja.

Jedan od izazova bio je dizajn stupice u kojoj se drže ioni, što je uzrokovalo sitne pokrete iona, nazvane prekomjerno mikrogibanje, što je smanjivalo točnost sata. To prekomjerno mikrogibanje remeti brzinu otkucavanja iona.

Električne neravnoteže na suprotnim stranama stupice stvarale su dodatna polja koja su ometala ione. Tim je redizajnirao stupicu, stavivši je na deblju dijamantnu pločicu i modificiravši zlatne premaze na elektrodama kako bi ispravili neravnotežu električnog polja. Također su nanijeli deblje premaze zlata kako bi smanjili otpor. Usavršavanje stupice na ovaj način usporilo je kretanje iona i omogućilo im da nesmetano "otkucavaju".

Vakuumski sustav u kojem stupica mora raditi također je uzrokovao probleme. Vodik difundira iz čeličnog tijela tipične vakuumske komore, rekao je Marshall. Tragovi vodikovog plina sudarali su se s ionima, prekidajući rad sata. To je ograničilo koliko dugo eksperiment može trajati prije nego što je potrebno ponovno napuniti ione. Tim je redizajnirao vakuumsku komoru i obnovio je od titana, što je smanjilo pozadinski vodikov plin za 150 puta. To je značilo da su mogli provesti dane bez ponovnog punjenja stupice, umjesto da je pune svakih 30 minuta.

Bio im je potreban još jedan sastojak, stabilniji laser za ispitivanje iona i brojanje njihovih otkucaja. Verzija sata iz 2019. morala je raditi tjednima kako bi se usrednjavale kvantne fluktuacije, privremene slučajne promjene u energetskom stanju iona, uzrokovane njegovim laserom. Kako bi skratili to vrijeme, tim se obratio Jun Yeu s NIST-a, čiji laboratorij u JILA-i (zajedničkom institutu NIST-a i Sveučilišta Colorado Boulder) ima jedan od najstabilnijih lasera na svijetu.

Yeova grupa u JILA-i poslala je ultrastabilnu lasersku zraku 3,6 kilometara do frekvencijskog češlja u laboratoriju Tare Fortier u NIST-u. Frekvencijski češalj, koji djeluje kao "ravnalo za svjetlost", omogućio je grupi za aluminijske ionske satove da usporedi svoj laser s Yeovim ultrastabilnim. Ovaj je proces omogućio laseru Ye laboratorija da prenese svoju stabilnost na aluminijski laserski sat.

S ovim poboljšanjem, istraživači su mogli ispitivati ione cijelu sekundu u usporedbi s njihovim prethodnim rekordom od 150 milisekundi. To poboljšava stabilnost sata, smanjujući vrijeme potrebno za mjerenje do 19. decimale s tri tjedna na dan i pol.

Ovim novim rekordom, aluminijski ionski sat doprinosi međunarodnim naporima da se redefinira sekunda na mnogo veće razine točnosti nego prije, olakšavajući nove znanstvene i tehnološke napretke. Nadogradnje također drastično poboljšavaju njegovu upotrebu kao poligona za kvantnu logiku, istražujući nove koncepte u kvantnoj fizici i gradeći alate potrebne za kvantnu tehnologiju.

Što je još važnije, smanjenjem vremena usrednjavanja s tjedana na dane, ovaj sat može biti alat za nova mjerenja Zemljine geodezije i istraživanje fizike izvan Standardnog modela, poput mogućnosti da temeljne konstante prirode nisu fiksne vrijednosti, već se zapravo mijenjaju.

Tim je objavio svoje rezultate u časopisu Physical Review Letters.