Som att urmakare väljer överlägsna material för att bygga ett fint ur, fysiker vid Center for Quantum Technologies (CQT) vid National University of Singapore har pekat ut en atom som kan göra det möjligt för dem att bygga bättre atomur. CQT -teamet rapporterar in Naturkommunikation att ett tidigare försummat grundämne – lutetium – skulle kunna förbättras på dagens bästa klockor. Lutetium (Lu) är ett sällsynt jordartselement med atomnummer 71.

"En klockas ultimata prestanda beror på atomens egenskaper - hur okänslig atomen är för sin omgivning. Jag skulle kalla lutetium topp i sin klass, "säger Murray Barrett, som ledde forskningen. Data i lagets tidning, publicerad 25 april i Naturkommunikation , visar att lutetium har lägre temperaturkänslighet än atomer som används i klockor idag. Dessa mätningar bidrar till tidigare resultat som visar att det kan vara grunden för en högpresterande klocka.

Atomklockor har satt den globala standarden för mätning av tid i över ett halvt sekel. Men eftersom den andra definierades med hänvisning till cesiumatomer på 1960-talet, Det har varit världsomspännande konkurrens för att förbättra noggrannheten och stabiliteten hos atomur. Tidssignaler från cesiumklockor stöder fortfarande det globala positioneringssystemet och hjälper till att synkronisera transport- och kommunikationsnätverk, men atomer av många andra arter, såsom ytterbium, aluminium och strontium, nu strävar efter att göra de mest exakta mätningarna av tid.

Dessa nästa generations klockor, med osäkerhet omkring en del på en miljard miljarder, bevisar sin förmåga att testa fundamental fysik – från mätningar av gravitation till att leta efter drifter i fundamentala konstanter. Atomklockans "fästing" kommer inte direkt från atomen, men från svängningen av en ljusvåg. Oscillationsfrekvensen fixeras genom att låsa den till atomens resonansfrekvens. I praktiken, detta betyder att en laser är inställd för att få en av atomens elektroner att hoppa från en låg energinivå till en högre energinivå. Hur mycket energi detta hopp tar är en fast egenskap hos atomen. Laserns frekvens matchas för att leverera precis rätt mängd energi i en enda ljuspartikel (en foton). När denna söta plats väl har hittats, klockan räknar tiden genom att mäta ljusvågens svängningar.

Cesiumklockor går med mikrovågsfrekvens - eller exakt 9, 192, 631, 770 fästingar per sekund. Den senaste generationen atomklockor körs med optiska frekvenser, som kryssar några tio, 000 gånger snabbare. Räkningstid i mindre steg möjliggör mer exakt mätning.

Lutetium kommer också att köras på optiska frekvenser, men det finns mer att göra bra klockor än en snabb tick - dessa fästingar måste också vara stabila över tiden. Det är här lutetium kan lysa.

En källa till felaktighet i klockfrekvensen är känslighet för temperaturen i miljön som omger atomen. Barrett och hans kollegor har just mätt styrkan i detta "blackbody -strålningsskift" för klockövergångar i lutetium. Den sex månader långa insatsen, som involverar en högeffektslaser som den som används för industriell skärning, gav ett resultat för svartkroppens strålningsskift för en energinivåövergång som är närmare noll än för någon etablerad optisk atomur.

"Vi har definitivt visat att lutetium är minst känsligt för temperaturen hos alla etablerade atomklockor, " säger första författaren Kyle Arnold. Det kommer inte bara att göra en labbbaserad klocka mer exakt, men också göra klockor som kommer ur laboratorierna mer praktiska, så att de kan arbeta i ett större antal miljöer.

I tidigare tidningar, teamet har rapporterat andra egenskaper hos lutetium som är relevanta för att bygga klockor, finner att de kan konkurrera med dagens bästa klockatomer. "Om du kan bygga en bra ytterbiumklocka, du kommer oundvikligen att bygga en bättre lutetiumklocka, eller åtminstone blir det ett enklare jobb för dig att bygga en lutetiumklocka som är lika bra, "säger Barrett. För tillfället, forskarna arbetar mot klockor med enstaka joner, men i slutändan, de skulle vilja göra klockor baserade på galler eller nätverk av många joner. De börjar med lutetium i bulkform som en silverfärgad metallfolie innan de kokar några atomer i deras apparater.

Teammedlemmarna är inte medvetna om andra grupper som arbetar med lutetium. En anledning till att lutetium inte var försökt är att det krävdes en ny teknik, upptäckt av Barrett och hans medarbetare, att avbryta vissa källor till felaktigheter i klockan. Denna "hyperfin medelvärde teknik" beskrivs i tidigare tidningar. "Jag ser det inte som att det är en alltför teknisk teknik, svår sak att göra, men jag tror att folk väntar på att se hur det här går till, säger Barrett.