Singapurští fyzici vyvinuli atomové hodiny s relativní nejistotou frekvence v řádu 10⁻¹⁹. Při porovnávání takových přístrojů už záleží i na tom, zda jeden stojí o několik milimetrů výš než druhý. Technologie může přispět k nové definici sekundy i ke zkoumání základních fyzikálních zákonů.
Tým z Centra kvantových technologií při Národní univerzitě v Singapuru představil výsledky ve studii zveřejněné 23. září v časopise Nature. Sestrojil dvojici optických atomových hodin využívajících ionty lutecia. U každých vyčíslil relativní nejistotu frekvence na úrovni řádu 10⁻¹⁹. Přesnost následně prověřil jejich vzájemným porovnáním.
Místo kyvadla slouží světlo
Atomové hodiny odměřují čas podle frekvence odpovídající přechodu mezi energetickými hladinami atomu či iontu. V singapurském zařízení vědci na tento přechod naladili laser. Kmity jeho světla pak plní podobnou úlohu jako kyvadlo běžných hodin, ovšem v nesrovnatelně rychlejším rytmu. Srdcem každého přístroje je jediný elektricky nabitý iont lutecia.
Právě volba prvku pomáhá omezit potíže, které měření času provázejí. Teplota a magnetické pole mohou frekvenci atomového přechodu nepatrně posouvat. U použitého lutecia jsou tyto vlivy velmi malé, takže vysoké přesnosti lze dosáhnout i při pokojové teplotě.
Nestačilo však pouze spočítat, jak přesné by hodiny měly být. Výzkumníci porovnávali dva nezávislé přístroje během 200 hodin měření. Jejich frekvence se při porovnání shodovaly v rámci nejistoty 5,7 × 10⁻¹⁹. Tím ověřili, že výsledek dokážou zopakovat na druhém zařízení.
Rozdíl udělá i několik milimetrů
Do tak citlivého měření už zasahuje gravitace, která ovlivňuje plynutí času. Citlivost singapurských hodin odpovídá výškovému rozdílu přibližně pěti milimetrů. Vědci proto museli polohu obou iontů určit s přesností lepší než jeden milimetr.
Přesnější hodiny mohou v budoucnu sloužit ke sledování nepatrných rozdílů gravitačního potenciálu nebo k testování relativity. Výzkumníkům by také mohly pomoci zkoumat, zda se některé základní fyzikální konstanty v čase mění.
Výsledky zároveň přispívají k přípravám nové definice sekundy, která se dnes opírá o atom cesia-133. Její případná změna se očekává v roce 2030 nebo později a zvažuje se pro ni několik technologií optických atomových hodin. Singapurský tým nyní plánuje své laboratorní zařízení zmenšit do převozné podoby, která by umožnila další porovnávání hodin i využití mimo laboratoř.