Vad kan vara bättre än en världsledande atomur? Två klockor i en.

Fysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har kombinerat två experimentella atomklockor baserade på ytterbiumatomer för att sätta ännu ett världsrekord för klockstabilitet. Stabilitet kan ses som hur exakt varaktigheten av varje klocktick matchar varje annan tick som kommer före och efter.

Denna extraordinära stabilitet gör ytterbiumgitterklockan till ett kraftfullare verktyg för precisionstester som om naturens "grundläggande konstanter" verkligen är konstanta, och söker efter den svårfångade mörka materien som påstås utgöra mycket av universum. Experimentet som visar dubbelklockans design rapporteras i Nature Photonics .

"Vi eliminerade en kritisk typ av brus i klockans drift, effektivt göra klocksignalen starkare, " NIST-fysikern Andrew Ludlow sa. "Detta betyder att vi kan nå en klockinstabilitet på 1,5 delar i en kvintiljon (1 följt av 18 nollor) på bara några tusen sekunder. Även om detta bara något slår den rekordnivå av klockstabilitet vi visade för några år sedan, vi kommer dit 10 gånger snabbare."

NIST-atomklockor presterar rutinmässigt på mycket höga nivåer, men forskare justerar dem kontinuerligt för att minska små brister. Den nya dubbelklockans design eliminerar en liten men betydande distorsion i laserfrekvensen som sonderar och synkroniserar med atomerna. Ju stabilare klockan är, desto bättre är dess mätkraft.

Den nya ytterbiumgitter "dubbelklocka" är den mest stabila klockan i världen, även om en annan NIST-atomklocka, baserad på strontium och ligger på JILA, har världsrekord i precision. Precision hänvisar till hur nära klockan ställer in sig på den naturliga frekvensen vid vilken atomerna pendlar mellan två elektroniska energinivåer.

Både ytterbium- och strontiumklockorna tickar vid optiska frekvenser, mycket högre än mikrovågsfrekvenserna för cesiumatomklockor som används som tidsstandarder. En optisk atomklocka fungerar genom att ställa in frekvensen på en laser för att resonera med frekvensen av atomernas övergång mellan två energitillstånd. Denna atomic ticking överförs till lasern för användning som ett tidtagningsverktyg. Allt brus eller osäkerhet som påverkar denna process stör laserfrekvensen och, Således, tidtagningsprecisionen.

Optiska atomklockor växlar vanligtvis lasersondering av atomerna med perioder av "dödtid" under vilka atomerna förbereds och mäts. Under döda tider, vissa laserfrekvensfluktuationer observeras eller kompenseras inte korrekt i laseravstämningsprocessen. De resulterande bullereffekterna (observerades första gången på 1990-talet av G.J. Dick, sedan vid California Institute of Technology) har, tills nu, begränsad klockstabilitet och precision.

NIST:s nya design med dubbla klockor har noll dödtid - och är, därför, smeknamnet ZDT-klockan - och praktiskt taget inget dödtidsljud, eftersom den sonderar atomer kontinuerligt genom att byta fram och tillbaka från en atomensemble till en annan. De två ensemblerna om 5, 000 och 10, 000 ytterbiumatomer, respektive, är var och en fångade i ett rutnät av laserljus som kallas ett optiskt gitter och sonderas av en delad laser.

Mätningar av svaren från de två atomensemblerna kombineras för att producera en enda, kombinerad korrigering av laserfrekvensen. Dessa mätningar och korrigeringar görs dubbelt så snabbt som i en enda klocka. Eftersom det inte finns något dödtidsljud, den nya klockan når rekordstabilitet 10 gånger snabbare än tidigare. Avgörande, prestandan är nu begränsad av klockans atomsystem snarare än lasern, ett länge eftersökt mål inom fysik som Ludlow kallar en "dröm" för framtida tillämpningar.

Detta tillvägagångssätt kan i slutändan minska atomklockans storlek och komplexitet, så att apparaten kunde göras tillräckligt portabel för att användas utanför laboratoriet. Det fysiska paketet är för närvarande större än en enda klocka, men så småningom kunde båda atomsystemen dela en enda vakuumapparat och enklare lasersystem, vilket minskar den totala storleken, sa Ludlow. Bärbara optiska atomklockor skulle kunna distribueras runt om i världen för relativistisk geodesi (gravitationsbaserade mätningar av jordens form) eller bäras på rymdfarkoster för tester av allmän relativitet.