Команда Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) в Германии успешно разработала серию передовых оптических атомных часов, включая часы с одиночными ионами и оптические решёточные часы. Эти новые часы демонстрируют беспрецедентную точность и могут быть более чем в 1000 раз точнее существующих цезиевых атомных часов, которые определяют «секунду» в Международной системе единиц (СИ). Соответствующие результаты исследований были опубликованы в последнем выпуске Physical Review Letters.

Следующее поколение атомных часов использует лазерные частоты в качестве основы для измерения времени, и их частоты примерно в 100 000 раз выше, чем микроволновые частоты, используемые текущими цезиевыми атомными часами. Хотя они всё ещё находятся на стадии оценки, точность некоторых существующих оптических атомных часов уже достигла 100-кратного превосходства над цезиевыми часами. После дальнейших испытаний и глобальных сравнений они могут стать ключевыми инструментами для переопределения «секунды».

В принципе работы оптических атомных часов атомы облучаются лазерами с определёнными частотами, что заставляет атомы изменять свои квантовые состояния. Чтобы обеспечить такие переходы, необходимо защитить атомы от внешних помех и точно измерить любые оставшиеся влияния. Для оптических атомных часов с захваченными ионами этот процесс особенно эффективен. Ионы могут удерживаться электрическими полями в крошечном пространстве в вакууме, создавая почти идеальную, свободную от помех квантовую систему. Таким образом, относительная систематическая неопределённость ионных часов может достигать уровня за 18 знаков после запятой. Другими словами, если бы отсчёт времени начался с момента Большого взрыва, такие часы имели бы погрешность не более одной секунды.

Традиционно эти часы полагаются на сигналы, излучаемые одним ионом, и требуют длительного времени (иногда до двух недель) для измерения частоты. Для повышения эффективности вновь разработанные часы используют параллельную обработку, то есть несколько ионов разных типов могут захватываться одновременно в одной ионной ловушке. Эти ионы взаимодействуют, образуя кристаллическую структуру, и объединяют характеристики разных типов ионов для улучшения производительности.

Команда выбрала ионы индия на этот раз, потому что они обладают превосходными свойствами для достижения высокой точности, и добавила ионы иттербия для эффективного охлаждения. Тем временем они решили предыдущие трудности с помощью инновационных методов, приблизив точность новых часов к 18 знакам после запятой.

В сравнительных измерениях участвовали две другие оптические часовые системы и одна микроволновая часовая система в Physikalisch-Technische Bundesanstalt — часы с одиночным ионом иттербия, стронциевые решёточные часы и цезиевые фонтанные часы. Соотношение между часами с индием и часами с иттербием впервые достигло требований к общей неопределённости, удовлетворяя строгим стандартам, необходимым для переопределения «секунды».

Эта схема предвещает появление нового поколения высокостабильных и точных оптических ионных часов. Она применима не только к другим типам ионов, но и прокладывает путь для совершенно новых концепций часов.