У США запустили найточніший атомний годинник, що не відстане за 140 мільйонів років

У Національному інституті стандартів і технологій (NIST) у місті Боулдер, штат Колорадо, розпочав роботу новий атомний годинник NIST-F4. Цей надточний прилад працює не за допомогою механічних деталей, а використовує квантові коливання атомів цезію. Його точність настільки висока, що якби він працював із часів динозаврів, то сьогодні відхилення становило б менше однієї секунди.

NIST-F4 не просто вимірює час — він його визначає. Це новітній первинний еталон частоти, який науковці використовують як еталонний годинник. За словами Владислава Гергінова та його колег, які опублікували дослідження в журналі Metrologia, NIST-F4 має невизначеність частоти типу B на рівні 2,2×10⁻¹⁶.

Цього місяця науковці NIST оголосили про приєднання NIST-F4 до елітної групи найточніших у світі хронометрів. Установа подала годинник на офіційне визнання до Міжнародного бюро мір і ваг (BIPM) — організації, що контролює глобальний облік часу.

NIST-F4 належить до типу цезієвих фонтанних годинників — надчутливих приладів, які перетворюють найнадійніший природний метроном на визначення секунди. Принцип його роботи базується на охолодженні тисяч атомів цезію лазерами майже до абсолютного нуля. Два лазерних променя обережно підкидають цю хмару атомів угору, наче фонтан. Під час руху вгору та падіння під дією гравітації атоми двічі проходять через камеру, наповнену мікрохвильовим випромінюванням.

Перший прохід збуджує атоми до квантового стану, який коливається з природною, незмінною частотою. Другий прохід вимірює, наскільки точно мікрохвильова частота відповідає цьому атомному ритму. Налаштування тривають доти, доки обидві частоти не збігаються ідеально. Після цього годинник відраховує рівно 9 192 631 770 мікрохвильових циклів — кількість пікових хвиль, що визначають одну секунду згідно з міжнародною угодою 1967 року.

Конструкція NIST-F4 базується на його попереднику NIST-F1, який припинив роботу 2022 року. Інженери повторно використали значну частину вакуумного обладнання, але вдосконалили лазерну та мікрохвильову системи, зокрема встановили нову мідну порожнину Ремзі — серце фонтана, де атоми взаємодіють із точно синхронізованими мікрохвильовими імпульсами.

Часові сигнали від NIST-F4 використовуються в усьому: від GPS-навігації та високочастотної торгівлі до електромереж і мобільних мереж. Регулярність годинника лежить в основі систем, які підтримують синхронізацію сучасного життя, часто непомітно для нас.

Для досягнення такої точності вимірювання часу науковцям довелося врахувати всі відомі особливості фізики, які можуть впливати на хронометраж. Серед них — квадратичний ефект Зеємана, де магнітні поля злегка зміщують частоту годинника; чорнотільне випромінювання від навколишнього обладнання; навіть гравітація відіграє роль через загальну теорію відносності, оскільки точна висота мікрохвильової порожнини над рівнем моря впливає на годинник.

Розробники NIST-F4 ретельно дослідили кожний систематичний ефект. Вони визначили зсуви від холодних зіткнень, коли атоми тонко впливають на квантові стани один одного. Вони відстежували витік мікрохвиль, ефекти лінзування від мікрохвильових полів і навіть зсуви фази розподіленої порожнини, де просторові варіації електромагнітного поля спотворюють часові показники.

NIST-F4 працює майже 90% часу разом із другим фонтанним годинником NIST-F3. Разом вони допомагають керувати UTC (NIST) — офіційним часом США та надають дані для міжнародної шкали часу, яку підтримує BIPM.

У світі існує лише близько 20 цезієвих фонтанних годинників, і вони є основою глобального обліку часу. Кожен із них робить внесок у Всесвітній координований час (UTC) — єдиний годинник, створений працею національних лабораторій по всій планеті.

Проте зміни наближаються. У найближчі роки — можливо, вже до 2030 року — облік часу може перейти до оптичних годинників, які використовують інші атоми і тикають ще швидше. Ці нові годинники обіцяють ще більшу точність. Однак цезієві фонтани, як NIST-F4, залишатимуться важливими як опорні точки та інструменти міжнародної координації.

Розробка NIST-F4 тривала роками. Після переїзду до нової будівлі 2016 року попередній годинник NIST-F1 вийшов із ладу. У 2020 році фізик Владислав Гергінов та його колеги зрозуміли, що потрібно перебудувати серце годинника — мікрохвильову порожнину, де здійснюються атомні вимірювання. Точність, якої вони прагнули досягти, була приголомшливою — допуски лише 5−10 мікронів, тонші за людську волосину.