Nye supernøjagtige optiske atomure består kritisk test

Forskere har målt et optisk urs tikkende med rekordstor nøjagtighed, mens de også viser, at uret kan betjenes med en hidtil uset konsistens. Disse resultater repræsenterer et vigtigt skridt i retning af at demonstrere, at den nye generation af optiske atomure er præcise og robuste nok til at blive brugt til at omdefinere den officielle længde på et sekund, som i øjeblikket er baseret på atomur i mikrobølgeovn.

"En mere præcis definition af en anden og en bedre tidtagningsinfrastruktur vil understøtte fortsatte fremskridt i de timingsystemer, der bruges i en lang række applikationer, herunder kommunikations- og navigationssystemer "sagde Andrew Ludlow, en af ​​forskerteamlederne fra National Institute of Standards and Technology (NIST), USA. "Det ville også give mere præcise målinger til at udforske fysiske fænomener, der endnu ikke er fuldt ud forstået."

Den nye forskning er rapporteret i Optica .

"Optiske ure er sandsynligvis i stand til meget højere nøjagtighed, sandsynligvis 10 til 100 gange bedre end hvad vi målte i dette arbejde, "sagde Ludlow." For at bevise den sande nøjagtighed af disse ure uden at blive begrænset af dagens definition af et sekund, vil det kræve sammenligninger af høj kvalitet direkte mellem forskellige typer optiske ure. "

Hvorfor bruge et optisk ur?

Ure fungerer ved at tælle en tilbagevendende hændelse med en kendt frekvens, såsom svingning af et pendul. For traditionelle atomure er den tilbagevendende hændelse den naturlige svingning af cæsiumatomet, som har en frekvens i mikrobølgeområdet af det elektromagnetiske spektrum. Siden 1967 har Det internationale system for enheder (SI) har defineret et sekund som den tid, der går i løbet af 9, 192, 631, 770 cyklusser af mikrobølgesignalet produceret af disse oscillationer.

Optiske atomure bruger atomer som ytterbium og strontium, der svinger omkring 100, 000 gange højere end mikrobølgefrekvenser, i det optiske, eller synlig, del af det elektromagnetiske spektrum. Disse højere frekvenser gør det muligt for optiske ure at tikke hurtigere end atomur i mikrobølgeovn, gør dem mere præcise og stabile over tid.

"De højere frekvenser målt ved optiske ure gør det generelt lettere at kontrollere miljøpåvirkninger på atomerne, "sagde Tara Fortier, medlem af forskergruppen. "Denne fordel kunne i sidste ende muliggøre udvikling af kompakte optiske ursystemer, der opretholder relativt høj ydeevne i en lang række applikationsmiljøer."

Opnåelse af rekordnøjagtighed

For at vise, at tiden holdt med et optisk ur er kompatibel med nutidens standard cæsium atomure, forskerne konverterede hyppigheden af ​​et ytterbium optisk atomur ved NIST til mikrobølgeområdet og sammenlignede det med en samling målinger fra cæsium atomure placeret over hele kloden.

De opnåede frekvensmålinger af det ytterbium optiske ur med en usikkerhed på 2,1 X 10-16. Dette svarer til kun at miste cirka 100 sekunder over universets alder (14 milliarder år) og sætter en ny nøjagtighedsrekord for cæsiumrefererede målinger af et optisk ur.

Selvom optiske ure er meget nøjagtige, de har en tendens til at opleve betydelige nedetid på grund af deres tekniske kompleksitet og prototypedesign. Forskerne ved NIST brugte en gruppe på otte brintmasere til at holde den tid, hvor det optiske ur ikke var i drift. Masere, som er som lasere, der opererer i mikrobølgespektralområdet, kan pålideligt holde tid, men har begrænset nøjagtighed.

"Stabiliteten af ​​maserne - en af ​​de bedste lokale tidsskalaer i verden - er en af ​​grundene til, at vi var i stand til at udføre en så præcis sammenligning med cæsium, "sagde Tom Parker, medlem af forskergruppen. De reducerede usikkerheden yderligere ved at foretage 79 målinger over 8 måneder. Det er første gang, at optiske urmålinger er blevet rapporteret over så lang en periode.

For bedre at forstå grænserne for optiske ure, forskerne planlægger at sammenligne det ytterbium optiske ur, der blev brugt i denne undersøgelse, med andre typer optiske ure under udvikling ved NIST. Til sidst, NIST -ure kan sammenlignes med optiske ure i andre lande for at afgøre, hvilke typer ure der er bedst til at omdefinere SI -sekund.

Forskerne påpeger, at det stadig er nogle år tilbage at omdefinere længden af ​​et sekund. Selvom det ændrer sig, anvendelse af den nye standard ville kræve teknologi, der bedre forbinder og transmitterer signaler fra optiske ure rundt om i verden på en måde, der bevarer stabiliteten og tidens nøjagtighed.