NIST -fysikern Andrew Ludlow och kollegor uppnådde nya prestandarekord för atomklockor i en jämförelse av två ytterbium optiska gitterklockor. Lasersystem som används i båda klockorna är synliga i förgrunden, och huvudapparaten för en av klockorna är placerad bakom Ludlow. Kredit:Burrus/NIST
Experimentella atomklockor vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har uppnått tre nya prestandarekord, nu kryssar det tillräckligt noggrant för att inte bara förbättra tidtagning och navigering, men också upptäcka svaga signaler från gravitationen, det tidiga universum och kanske till och med mörk materia.
Klockorna fäller var och en tusen ytterbiumatomer i optiska gitter, galler gjorda av laserstrålar. Atomerna tickar genom att vibrera eller växla mellan två energinivåer. Genom att jämföra två oberoende klockor, NIST -fysiker uppnådde rekordprestanda i tre viktiga åtgärder:systematisk osäkerhet, stabilitet och reproducerbarhet.
Publicerad online 28 november i tidskriften Natur , de nya NIST -klockrekorden är:
"Systematisk osäkerhet, stabilitet, och reproducerbarhet kan betraktas som 'royal flush' av prestanda för dessa klockor, "sa projektledaren Andrew Ludlow." Överenskommelsen mellan de två klockorna på denna oöverträffade nivå, som vi kallar reproducerbarhet, är kanske det enskilt viktigaste resultatet, eftersom det i huvudsak kräver och styrker de två andra resultaten. "
"Detta är särskilt sant eftersom den påvisade reproducerbarheten visar att klockornas totala fel faller under vår allmänna förmåga att redogöra för gravitationens effekt på tiden här på jorden. Därför, när vi ser för oss att klockor som dessa används runt om i landet eller världen, deras relativa prestanda skulle vara, för första gången, begränsad av jordens gravitationseffekter. "
Einsteins relativitetsteori förutspår att en atomklocka tickar, det är, frekvensen av atomernas vibrationer, reduceras – förskjuts mot den röda änden av det elektromagnetiska spektrumet – när den drivs med starkare gravitation. Det är, tiden går långsammare vid lägre höjder.
Medan dessa så kallade rödförskjutningar försämrar en klocks tidtagning, samma känslighet kan vridas på huvudet för att utsökt mäta gravitationen. Superkänsliga klockor kan kartlägga gravitationsförvrängningen av rymdtid mer exakt än någonsin. Tillämpningar inkluderar relativistisk geodesi, som mäter jordens gravitation, och detektera signaler från det tidiga universum som gravitationsvågor och kanske till och med ännu oförklarlig "mörk materia".
NIST:s ytterbiumklockor överstiger nu den konventionella förmågan att mäta geoiden, eller jordens form baserad på tidvattenmätare av havsnivån. Jämförelser av sådana klockor som ligger långt ifrån varandra, till exempel på olika kontinenter, kan lösa geodetiska mätningar till inom 1 centimeter, bättre än det nuvarande toppmoderna på flera centimeter.
Under det senaste decenniet med nya klockprestationsrekord som meddelats av NIST och andra laboratorier runt om i världen, detta senaste papper visar reproducerbarhet på en hög nivå, säger forskarna. Vidare, jämförelsen mellan två klockor är den traditionella metoden för att utvärdera prestanda.
Bland förbättringarna i NIST:s senaste ytterbiumklockor var införandet av termisk och elektrisk skärmning, som omger atomerna för att skydda dem från elektriska fält och göra det möjligt för forskare att bättre karakterisera och korrigera för frekvensförskjutningar orsakade av värmestrålning.
Ytterbiumatomen är bland potentiella kandidater för den framtida omdefinieringen av den andra – den internationella tidsenheten – när det gäller optiska frekvenser. NIST:s nya klockrekord uppfyller ett av kraven för den internationella omdefinieringsfärdplanen, en 100-faldig förbättring av validerad noggrannhet jämfört med de bästa klockorna baserat på den nuvarande standarden, cesiumatomen, som vibrerar vid lägre mikrovågsfrekvenser.
NIST bygger en bärbar ytterbiumgitterklocka med toppmodern prestanda som kan transporteras till andra laboratorier runt om i världen för klockjämförelser och till andra platser för att utforska relativistiska geodesitekniker.
