Undersøgelse sammenligner tre top atomure med rekord nøjagtighed over både fiber og luft

I et væsentligt fremskridt hen imod den fremtidige omdefinering af den internationale tidsenhed, Sekundet, et forskerhold ledet af National Institute of Standards and Technology (NIST) har sammenlignet tre af verdens førende atomure med rekordhøj nøjagtighed over både luft- og optiske fiberforbindelser.

Beskrevet i udgaven af ​​25. marts af Natur , det NIST-ledede arbejde er det første til at sammenligne tre ure, baseret på forskellige atomer, og den første til at forbinde de mest avancerede atomure forskellige steder i luften. Disse atomur-sammenligninger placerer det videnskabelige samfund et skridt tættere på at opfylde retningslinjerne for omdefinering af det andet.

"Disse sammenligninger definerer virkelig state of the art for både fiberbaserede og frirumsmålinger - de er alle tæt på 10 gange mere nøjagtige end nogen ursammenligninger med forskellige atomer udført indtil videre, " NIST-fysiker David Hume sagde.

De nye målinger var udfordrende, fordi de tre involverede typer atomer "tikker" ved vidt forskellige frekvenser, fordi alle de mange netværkskomponenter skulle fungere med ekstrem nøjagtighed, og fordi den trådløse forbindelse krævede banebrydende laserteknologi og design.

Undersøgelsen sammenlignede aluminium-ion-uret og ytterbium-gitteruret, placeret i forskellige laboratorier på NIST Boulder, med strontiumgitteruret placeret 1,5 kilometer væk ved JILA, et fælles institut for NIST og University of Colorado Boulder. Holdets målinger var så nøjagtige, at usikkerheden kun var 6 til 8 dele i 10 ¹⁸ -det er, fejl oversteg aldrig 0,000000000000000008 - for både fiber- og trådløse links.

NIST-forskere har tidligere beskrevet, hvordan de overførte tidssignaler over luftforbindelsen mellem to af urene, NIST ytterbium og JILA strontium ure, og fandt, at processen fungerede såvel som den fiberbaserede metode og 1, 000 gange mere præcist end konventionelle trådløse overførselssystemer. Dette arbejde viser, hvordan de bedste atomure kan synkroniseres på tværs af fjerntliggende steder på Jorden og, som tidssignaler overføres over længere afstande, selv mellem rumfartøjer.

Nøglen til luftforbindelsen var brugen af ​​optiske frekvenskamme, som muliggør præcise sammenligninger af vidt forskellige frekvenser. NIST-forskere udviklede to-vejs overførselsmetoder til præcist at sammenligne optiske ure over luften, selv under forhold med atmosfærisk turbulens og laboratorievibrationer. Den kambaserede signaloverførselsteknik var blevet demonstreret tidligere, men det seneste arbejde var det første til at sammenligne avancerede atomure.

Siden 1967, den anden er blevet defineret ud fra cæsiumatomet, som tikker ved en mikrobølgefrekvens. Atomure brugt i de nye sammenligninger tikker ved meget højere optiske frekvenser, som deler tiden op i mindre enheder og dermed giver større præcision. Sammenligninger er afgørende for det internationale samfunds udvælgelse af et eller flere atomer som næste gang standard.

De nye NIST-resultater rapporteret i Natur også sat andre vigtige rekorder. Frekvens er den mest nøjagtigt målte enkeltstørrelse i videnskaben. NIST-holdet målte frekvensforhold, de kvantitative forhold mellem atomernes frekvenser målt i tre par (ytterbium-strontium, ytterbium-aluminium, aluminium-strontium). Resultaterne er de tre mest nøjagtige målinger, der nogensinde er foretaget af naturlige konstanter. Frekvensforhold betragtes som konstanter og bruges i nogle internationale standarder og test af grundlæggende fysikteorier.

Frekvensforhold giver en vigtig fordel som metrik til evaluering af optiske atomure. En direkte måling af en optisk clock-frekvens i de sædvanlige enheder af Hertz er begrænset af nøjagtigheden af ​​den nuværende internationale standard, cæsium mikrobølgeuret. Frekvensforhold overvinder denne begrænsning, fordi de ikke er udtrykt i nogen enheder.

Frekvensforhold måles normalt over lange afstande ved brug af fibernet, som er få og langt imellem, eller i nogle tilfælde med mikrobølgedata overført via satellitforbindelser, som har tendens til at være ustabile.

Retningslinjer for omdefinering af den anden anbefaler demonstration og verifikation af multiple frekvensforholdsmålinger med usikkerheder, der nærmer sig den bedste optiske clock-ydelse. Alle tre typer ure i den nye undersøgelse tilbyder enestående ydeevne nu og lover yderligere forbedringer. NIST's ytterbium ure, for eksempel, repræsenterer atomernes naturlige frekvens (en værdi kendt som systematisk usikkerhed) inden for en mulig fejl på kun 1,4 dele i 10 ¹⁸ - omkring en milliardtedel af en milliardtedel.

NISTs nye målinger af frekvensforhold, under optagelse, er ikke helt så gode endnu. Men forskerholdet arbejder på at forbedre målestabiliteten og urets ydeevne, sagde Hume.

Ud over deres rolle i den næste generation af internationale standarder, optiske atomure kan bruges som følsomme sonder til ny fysik, såsom det "mørke stof", der menes at udgøre det meste af tingene i universet. Teknologiske applikationer til optiske ure omfatter forbedrede timing- og navigationssystemer og måling af Jordens gravitationsform (geodesi).