Budowali ten zegar przez 20 lat. Nic nie może się z nim równać
Naukowcy z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) stworzyli zegar atomowy tak precyzyjny, że mógłby działać przez 317 mld lat i nie pomylić się ani o sekundę. Przyrząd oparty na jonach glinu właśnie pobił wszystkie dotychczasowe rekordy dokładności, wyprzedzając konkurencję o 41 proc.
Mówimy o urządzeniu, które mierzy czas z dokładnością do 19 miejsc po przecinku. To osiągnięcie nie tylko przesuwa granice współczesnej nauki, ale otwiera drzwi do zupełnie nowych możliwości badania wszechświata - od testowania teorii Einsteina w po poszukiwanie ciemnej materii.
Glin kontra cez. Nowy król precyzji
Przez dziesięciolecia serce zegarów atomowych biło w rytmie jonów cezu, które oficjalnie definiują sekundę w systemie międzynarodowym. Jednak naukowcy z NIST odkryli, że glin posiada właściwości czasowe znacznie przewyższające dotychczasowe standardy. Jon glinu charakteryzuje się niezwykle stabilnym, wysokoczęstotliwościowym tykaniem, które jest bardziej odporne na zakłócenia środowiskowe, takie jak zmiany temperatury czy pola magnetyczne.
Czytaj też:
Problem polegał na tym, że glin okazał się niezwykle nieśmiały w kontakcie z laserami. Jak wyjaśnił Mason Marshall, główny autor badania, aluminium jest trudne do schładzania i sondowania za pomocą wiązek laserowych - dwóch kluczowych technik niezbędnych w konstrukcji zegarów atomowych. To właśnie dlatego zespół potrzebował dwóch dekad, aby opracować skuteczną metodę oswojenia tego kapryśnego pierwiastka.
Spektroskopia logiki kwantowej - gdy jony pracują w parze
Przełomem okazało się sparowanie jonu glinu z jonem magnezu w ramach techniki zwanej spektroskopią logiki kwantowej. Ten system partnerski wykorzystuje najnowsze osiągnięcia informatyki kwantowej, gdzie magnez pełni rolę pomocniczego jonu logicznego, który zajmuje się chłodzeniem, przygotowaniem stanów i odczytem danych. Magnez może nie posiadać tak perfekcyjnych właściwości czasowych jak glin, ale doskonale współpracuje z laserami.
Willa Arthur-Dworschack, doktorantka zaangażowana w projekt, opisuje to jako tandem: jon magnezu chłodzi jon glinu, spowalniając go, a jednocześnie porusza się synchronicznie ze swoim partnerem z glinu. Stan zegara można odczytać poprzez obserwację ruchu jonu magnezu, co czyni z tego konstrukcję prawdziwy zegar logiki kwantowej. Ta współpraca pozwala wykorzystać najlepsze cechy obu pierwiastków jednocześnie.
Inżynieria na poziomie atomowym
Osiągnięcie rekordowej precyzji wymagało udoskonalenia każdego elementu konstrukcji, od lasera po komorę próżniową. Jednym z kluczowych wyzwań był projekt pułapki jonowej, która powodowała niepożądane mikrodrgania jonów, nazywane nadmiernym mikroruchem, które zakłócały dokładność zegara. Te minimalne wibracje zaburzały rytm tykania jonów, wpływając negatywnie na stabilność pomiarów.
Zespół przeprojektował pułapkę umieszczając ją na grubszej płytce diamentowej i modyfikując złote powłoki elektrod aby zrównoważyć pole elektryczne. Dodatkowo zwiększyli grubość złotych powłok w celu zmniejszenia oporu. Te pozornie drobne modyfikacje miały fundamentalne znaczenie - pozwoliły jonom tykać bez zakłóceń, eliminując niepożądane drgania.
Tytan zamiast stali
Kolejnym przełomowym udoskonaleniem była wymiana tradycyjnej stalowej komory próżniowej na konstrukcję z tytanu. Problem polegał na tym, że wodór dyfundował ze stalowego korpusu typowej komory próżniowej, a ślady gazu wodorowego kolidowały z jonami, przerywając pracę zegara. To ograniczało czas pracy eksperymentu - jony wymagały ponownego załadowania co 30 minut.
Nowa komora tytanowa zmniejszyła obecność wodoru w tle aż 150-krotnie. Oznaczało to możliwość pracy przez dni bez konieczności ponownego ładowania pułapki, w przeciwieństwie do poprzednich częstych przerw. Ta zmiana nie tylko zwiększyła stabilność pomiarów, ale również drastycznie poprawiła praktyczność całego systemu, umożliwiając prowadzenie długoterminowych eksperymentów bez ciągłej ingerencji operatorów.
3,6 kilometra światłowodu przez całe Boulder
Ostatnim kluczowym elementem układanki był bardziej stabilny laser do sondowania jonów. Wersja zegara z 2019 r. wymagała tygodni pracy, aby uśrednić kwantowe fluktuacje - tymczasowe, losowe zmiany w stanie energetycznym jonów - spowodowane przez laser. Rozwiązanie przyszło z nieoczekiwanej strony: zespół skorzystał z pomocy Jun Ye z laboratorium JILA, którego strontowy zegar siatkowy przez lata utrzymywał poprzedni rekord dokładności.
W ramach tej współpracy grupa Ye za pomocą połączeń światłowodowych pod ulicami Boulder przesyłała ultrastabilną wiązkę laserową na odległość 3,6 kilometra do laboratorium Tary Fortier w NIST. Grzebień częstotliwości, działający jako linijka dla światła, pozwolił grupie zegarowej na porównanie swojego lasera z ultrastabilnym laserem Ye. Dzięki temu udoskonaleniu badacze mogli sondować jony przez pełną sekundę, w porównaniu z poprzednim rekordem 150 milisekund. To skróciło czas potrzebny do zmierzenia dokładności do 19. miejsca po przecinku z trzech tygodni do zaledwie półtora dnia.
Redefinicja sekundy i poszukiwanie nowej fizyki
Nowy rekord dokładności ma daleko idące konsekwencje wykraczające poza samo mierzenie czasu. Zegar z jonami glinu przyczynia się do międzynarodowych wysiłków mających na celu redefinicję sekundy z znacznie większą dokładnością niż dotychczas, co umożliwi nowe odkrycia naukowe i technologiczne. Ulepszenia drastycznie poprawiają także jego przydatność jako platformy testowej logiki kwantowej, pozwalając na eksplorację nowych koncepcji w fizyce kwantowej.
Skrócenie czasu uśredniania z tygodni do dni sprawia, że zegar może stać się narzędziem do nowych pomiarów geodezji Ziemi oraz eksploracji fizyki poza Modelem Standardowym. Naukowcy planują badać możliwość, że fundamentalne stałe natury nie są stałymi wartościami, lecz faktycznie się zmieniają. To może prowadzić do rewolucyjnych odkryć w naszym rozumieniu wszechświata.
Zespół nie zamierza spoczywać na laurach. Jak podkreśla Willa Arthur-Dworschack, z tą platformą badawczą są przygotowani do eksploracji nowych architektur zegarowych - takich jak zwiększanie liczby jonów zegarowych, a nawet ich splątywanie, co może jeszcze bardziej poprawić możliwości pomiarowe. Koncepcja zegarów wielojonowych otwiera perspektywy na osiągnięcie precyzji, która jeszcze dekadę temu wydawała się nierealna.
Praktyczne zastosowania tej technologii mogą obejmować wszystko - od precyzyjniejszych systemów GPS, przez detekcję fal grawitacyjnych, aż po monitorowanie zmian w strukturze Ziemi czy poziomie mórz. Ten dwudziestoletni projekt NIST pokazuje, że w nauce cierpliwość i wytrwałość często prowadzą do przełomowych odkryć. Zegar z jonami glinu nie tylko ustanowił nowy standard dokładności - ale również otworzył drzwi do zupełnie nowych sposobów badania wszechświata.
