Ett europeiskt samarbete med klocksexperter från National Physical Laboratory (NPL), Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) och Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) har använt en transportabel optisk atomur för att mäta gravitation för första gången. Resultaten av experimentet publicerades i Naturfysik .

Tills nu, sådana känsliga klockor har begränsats till laboratorier vid några få större forskningsinstitutioner. Dock, forskare vid PTB har utvecklat en transportabel strontium optisk gitterklocka för att utföra mätningar i fältet. Den transportabla klockan kördes i en vibrationsdämpad och temperaturstabiliserad släpvagn till franska Modane Underground Laboratory (LSM). Det tvärvetenskapliga labbet ligger mitt i Fréjus -vägtunneln mellan Frankrike och Italien.

Där, laget mätte skillnaden i gravitationens potential mellan klockans exakta läge inne i berget och en andra klocka vid INRIM som ligger 90 km bort i Torino, Italien, vid en höjdskillnad på cirka 1, 000 m.

Den exakta jämförelsen av de två klockorna möjliggjordes med en 150 km lång optisk fiberlänk som upprättats av INRIM och en frekvenskam från NPL för att ansluta klockan till länken. Forskare från Leibniz Universität Hannover bestämde också gravitationens potentialskillnad med konventionella geodetiska tekniker, och de två mätningarna visade sig vara överensstämmande.

Med förbättringar av noggrannheten hos den transportabla optiska klockan, denna teknik har potential att lösa höjdskillnader så små som 1 cm över jordytan. Fördelen med att använda optiska klockor är att de kan göra mätningar på specifika punkter i motsats till satellitbaserade mätningar, som NÅD och GOCE, som medelvärde för gravitationens potential över längdskalor på cirka 100 km.

Denna nya metod kan leda till högre upplösning av jordens gravitationskraft, tillåta forskare att övervaka kontinentala höjdförändringar relaterade till havsnivåer och dynamiken i havsströmmar med oöverträffad noggrannhet. Det kommer också att leda till mer konsekventa nationella höjdsystem.

För närvarande, olika länder mäter jordens yta på samma sätt, men relativt olika referensnivåer. Detta har lett till problem - en sådan är Hochrheinbron mellan Tyskland och Schweiz, där konstruktion på varje sida använde olika havsnivåberäkningar, vilket leder till en skillnad på 54 cm mellan de två sidorna.

Att uppnå överensstämmelse mellan nationella höjdsystem förhindrar dyra misstag i konstruktions- och byggprojekt. Förbättrade mätningar av tyngdkraftspotentialen kan också bidra till att förbättra vår förståelse av geodynamiska effekter i samband med massförändringar under jordens yta.

Denna teknik kommer också att mäta förändrade havsnivåer i realtid, tillåter forskare att spåra säsongs- och långsiktiga trender i ismassor och övergripande förändringar i havsmassan. Sådana data ger kritisk input till modeller som används för att studera och förutse effekterna av klimatförändringar.

Helen Margolis, stipendiat i optiska frekvensstandarder och metrologi vid NPL, sa, "Vårt principprövande experiment visar att optiska klockor kan ge ett sätt att eliminera avvikelser och harmonisera mätningar som görs över nationella gränser. En dag, sådan teknik kan hjälpa till att övervaka havsnivåförändringar till följd av klimatförändringar. "

Gruppledare Christian Lisdat på PTB, sa, "Optiska klockor anses vara nästa generation av atomur - som fungerar inte bara i laboratorier utan också som mobila precisionsinstrument."

Davide Calonico på INRIM, sa, "Vi visade att optiska klockor är värdefulla kvantsensorer, och deras kvantteknologi är fördelaktig utanför primär metrologi, i geodesi. Tillsammans, optiska klockor och optiska fiberlänkar ger möjlighet att få tillgång till nya och fascinerande vetenskapliga undersökningar "

Heiner Denker vid Leibniz Universität Hannover, sa, "De nyutvecklade optiska klockorna har potential att revolutionera geodetisk höjdbestämning, eftersom de kan övervinna några av begränsningarna för klassiska geodetiska tekniker. Optiska klockor kan hjälpa till att upprätta ett enhetligt referenssystem för världshöjd med betydande inverkan på geodynamisk och klimatforskning. "