Фізики створили молекулярний годинник, який зберігає наносекундну точність у морі

Американські фізики розробили компактний оптичний годинник на основі молекулярного йоду. Тритижневі випробування у відкритому морі показали, що вони досить стабільні та нечутливі до зовнішнього середовища, а це просуває вперед можливості морської навігації. Ми живемо у чотиривимірному просторі, де три виміри – це висота, ширина та довжина, а четвертий – час. Сучасна наука намагається пізнати ці простори якнайдокладніше.

Люди навчилися вимірювати відстані вже нанометрах, а час — в аттосекундах. У цих одиницях працюють найточніші на сьогодні годинники, засновані на електромагнітному випромінюванні, що виникає при переході електронів в атомах цезію з однієї «орбіти» на іншу.

Атомний годинник вимірює час з точністю до 10^-18 (тобто до квінтильйонних часток секунди). Якщо порівнювати їх показання із сигналом точного часу з супутника або віддаленого стаціонарного годинника, можна помітити зміни у швидкості ходу часу через зміну сили гравітаційного впливу (наприклад, через зміну висоти над рівнем моря). Благо, як відомо з теорії відносності, чим сильніша гравітація в тій чи іншій точці простору, тим повільніше тече час.

Підвищити точність годинника можна, якщо взяти кілька атомів і зробити з них атомну оптичну решітку (для цього використовують стронцій або тулій). По атомах у таких ґратах «стріляють» лазерами, що дозволяє глибоко охолодити всю решітку і до краю знизити міжатомні коливання в ній, піднімаючи точність вимірювань. Така точність необхідна не тільки для суто наукових досліджень у фундаментальній фізиці, але й для навігації.

Мільйони пристроїв, пов’язаних із супутниками GPS, або Глобальною навігаційною супутниковою системою (ГНСС), продовжують працювати тому, що орбітальні апарати синхронізовані з атомним годинником на наносекундному рівні. Це дозволяє визначити координати з точністю до декількох метрів. Щоправда, зберегти такий результат легко лише у лабораторіях. У польових умовах — наприклад, на морських кораблях, які особливо потребують стабільних і точних координат — досягти цього складно, адже в морі трапляються шторми, а судна курсують крізь магнітні поля Землі.

Група фізиків з компанії Vector Atomic у США розробила оптичний годинник на мобільних платформах, які нечутливі до зовнішнього середовища та засновані на молекулярному йоді. Спочатку дослідники створили цей годинник у лабораторії, а потім випробували три пристрої в морі протягом 20 днів. Результати наукової роботи опубліковані в журналі Nature.

Йод давно відомий як оптичний стандарт частоти з довжиною хвилі 532 або 1064 нанометра і точністю в 10-10, що трохи вище наносекундної величини. Лазер з йодним осередком використовують, наприклад, у балістичному гравіметрі для вимірювання прискорення вільного падіння. У новому дослідженні фізики сконструювали годинник із лазерною системою та ізольованими парами йоду. Завдяки цьому, за словами вчених, структура не потребує лазерного охолодження, попередньої стабілізації та нечутлива до руху. Дослідники вибрали молекулярний йод ще й тому, що пристрій, що працює на іонах або атомах, був би дорожчим, важчим, більшим і не так надійним. Але новий годинник хоч і вийшов компактним — обсягом всього 35 літрів і масою 26 кілограмів — не настільки точний, як атомний.

Три перші пристрої — PICKLES, EPIC та VIPER (ці трохи простіше) — випробували у 2022 році в штаті Колорадо, де порівнювали їхню роботу з універсальною шкалою часу NIST протягом 34 днів. Дрейф частоти нового годинника був закономірно більший, ніж в атомного стандарту, — всього 300 пікосекунд (300 трильйонних часток секунди) за день.

Задоволені таким лабораторним результатом фізики відправили свій годинник до Перл-Харбора для випробування в найбільших військово-морських навчаннях RIMPAC. Пристрої жорстко закріпили на підлозі вантажного контейнера, де працював кондиціонер, на три тижні не чіпали (тільки VIPER довелося перезапустити через збій у харчуванні). У польових умовах температура коливалася на 2-3°C, вологість — на 4-5%, а судно хилилося і тремтіло під час рухів.

За 20 днів у морі годинник не показав відхилень у характеристиках на коротких інтервалах у тисячу секунд. Пара PICKLES-EPIC зберегла нестабільність, еквівалентну 400 пікосекунд (400 трильйонних часток секунди) на добу. Швидкість дрейфу була такою ж, що і в атомному годиннику NIST. VIPER показав як короткочасну, так і добову нестабільність, але вчені і зробили цей годинник простіше.

Іншими словами, якщо новий годинник, встановлений на судні, втратить зв’язок із зовнішнім годинником, тобто із супутниками, їх відставання буде мінімальним, а точність продовжить перебувати в межах наносекунд. Це робить оптичний годинник на основі молекулярного йоду найвищим продуктивним морським годинником на сьогодні. Вони мінімально чутливі до зовнішнього середовища (щоправда, кондиціонер може трохи зіпсувати фон), стабільні та компактні.