NIST atomure holder nu tiden godt nok til at forbedre modeller af jorden

Eksperimentelle atomure på National Institute of Standards and Technology (NIST) har opnået tre nye præstationsrekorder, nu tikker præcist nok til ikke kun at forbedre tidtagning og navigation, men også opdage svage signaler fra tyngdekraften, det tidlige univers og måske endda mørke stof.

Urene fælder hver tusinde ytterbiumatomer i optiske gitter, gitter lavet af laserstråler. Atomer tikker ved at vibrere eller skifte mellem to energiniveauer. Ved at sammenligne to uafhængige ure, NIST -fysikere opnåede rekordpræstationer i tre vigtige foranstaltninger:systematisk usikkerhed, stabilitet og reproducerbarhed.

Udgivet online 28. november i tidsskriftet Natur , de nye NIST -urrekorder er:

• Systematisk usikkerhed:Hvor godt uret repræsenterer naturlige vibrationer, eller frekvens, af atomerne. NIST -forskere fandt ud af, at hvert ur tikkede med en hastighed, der matchede den naturlige frekvens til en mulig fejl på kun 1,4 dele ud af 10 ¹⁸ - omkring en milliarddel af en milliarddel.
• Stabilitet:Hvor meget ændrer urets frekvens sig over et bestemt tidsinterval, målt til et niveau på 3,2 dele i 10 ¹⁹ (eller 0,00000000000000000032) over en dag.
• Reproducerbarhed:Hvor tæt tikker de to ure med samme frekvens, vist ved 10 sammenligninger af urparret, giver en frekvensforskel under 10 ^-18 niveau (igen, mindre end en milliarddel af en milliard).

"Systematisk usikkerhed, stabilitet, og reproducerbarhed kan betragtes som 'royal flush' af ydeevne for disse ure, "sagde projektleder Andrew Ludlow." Aftalen mellem de to ure på dette hidtil usete niveau, som vi kalder reproducerbarhed, er måske det vigtigste resultat, fordi det i det væsentlige kræver og underbygger de to andre resultater. "

"Dette er især rigtigt, fordi den påviste reproducerbarhed viser, at urernes samlede fejl falder til under vores generelle evne til at redegøre for tyngdekraftens virkning på tiden her på Jorden. Derfor, som vi forestiller os ure som disse, der bruges rundt om i landet eller verden, deres relative præstation ville være, for første gang, begrænset af Jordens tyngdekraftseffekter. "

Einsteins relativitetsteori forudsiger, at et atomur tikker, det er, frekvensen af ​​atomernes vibrationer, reduceres - forskydes mod den røde ende af det elektromagnetiske spektrum - når det drives i stærkere tyngdekraft. Det er, tiden går langsommere ved lavere højder.

Mens disse såkaldte rødforskydninger forringer et urs tidtagning, den samme følsomhed kan vendes på hovedet for udsøgt at måle tyngdekraften. Superfølsomme ure kan kortlægge rumtids gravitationsforvrængning mere præcist end nogensinde. Ansøgninger omfatter relativistisk geodesi, som måler jordens tyngdekraftsform, og detektering af signaler fra det tidlige univers såsom gravitationsbølger og måske endda endnu ikke forklaret "mørkt stof".

NISTs ytterbium ure overstiger nu den konventionelle evne til at måle geoid, eller Jordens form baseret på tidevandsundersøgelser af havets overflade. Sammenligninger af sådanne ure placeret langt fra hinanden, f.eks. På forskellige kontinenter, kunne løse geodetiske målinger inden for 1 centimeter, bedre end den nuværende state of the art på flere centimeter.

I det sidste årti med nye urpræstationsrekorder annonceret af NIST og andre laboratorier rundt om i verden, dette seneste papir viser reproducerbarhed på et højt niveau, siger forskerne. Desuden, sammenligningen af ​​to ure er den traditionelle metode til evaluering af ydeevne.

Blandt forbedringerne i NISTs seneste ytterbiumure var inkludering af termisk og elektrisk afskærmning, som omgiver atomerne for at beskytte dem mod vildfarne elektriske felter og sætte forskere i stand til bedre at karakterisere og korrigere for frekvensforskydninger forårsaget af varmestråling.

Ytterbiumatomet er blandt potentielle kandidater til den fremtidige omdefinering af det andet - den internationale tidsenhed - hvad angår optiske frekvenser. NISTs nye urrekorder opfylder et af de internationale redefinition -køreplaners krav, en 100 gange forbedring af valideret nøjagtighed i forhold til de bedste ure baseret på den nuværende standard, cæsiumatomet, som vibrerer ved lavere mikrobølgefrekvenser.

NIST bygger et bærbart ytterbium gitterur med topmoderne ydeevne, der kan transporteres til andre laboratorier rundt om i verden for ur sammenligninger og til andre steder for at udforske relativistiske geodesisteknikker.