Forskare har mätt en optisk klockas tickande med rekordnoggrannhet samtidigt som den visar att klockan kan manövreras med en aldrig tidigare skådad konsistens. Dessa prestationer representerar ett betydande steg mot att visa att den nya generationen av optiska atomur är noggranna och tillräckligt robusta för att kunna definiera den officiella längden på en sekund, som för närvarande är baserad på mikrovågsklockor.

"En mer exakt definition av en andra och en bättre tidshållande infrastruktur skulle stödja fortsatta framsteg i tidtagningssystemen som används i ett brett spektrum av applikationer, inklusive kommunikations- och navigationssystem, "sa Andrew Ludlow, en av forskargruppens ledare från National Institute of Standards and Technology (NIST), USA. "Det skulle också ge mer exakta mätningar för att utforska fysiska fenomen som ännu inte är helt förstådda."

Den nya forskningen rapporteras i Optica .

"Optiska klockor har sannolikt mycket högre noggrannhet, förmodligen 10 till 100 gånger bättre än vad vi mätte i detta arbete, "sa Ludlow." För att bevisa dessa klockors sanna noggrannhet utan att begränsas av dagens definition av en sekund kommer det att krävas högkvalitativa jämförelser direkt mellan olika typer av optiska klockor. "

Varför använda en optisk klocka?

Klockor fungerar genom att räkna en återkommande händelse med känd frekvens, som svängningen av en pendel. För traditionella atomur är den återkommande händelsen cesiumatomens naturliga oscillation, som har en frekvens i mikrovågsområdet i det elektromagnetiska spektrumet. Sedan 1967 har International System of Units (SI) har definierat en sekund som tiden som går under 9, 192, 631, 770 cykler av mikrovågssignalen som produceras av dessa svängningar.

Optiska atomklockor använder atomer som ytterbium och strontium som pendlar omkring 100, 000 gånger högre än mikrovågsfrekvenser, i det optiska, eller synlig, del av det elektromagnetiska spektrumet. Dessa högre frekvenser tillåter optiska klockor att ticka snabbare än mikrovågs atomur, gör dem mer exakta och stabila över tiden.

"De högre frekvenserna som mäts med optiska klockor gör det i allmänhet lättare att kontrollera miljöpåverkan på atomerna, "sa Tara Fortier, medlem i forskargruppen. "Denna fördel kan så småningom möjliggöra utveckling av kompakta optiska klocksystem som håller relativt hög prestanda i ett stort antal applikationsmiljöer."

Uppnå rekordnoggrannhet

För att visa att tiden som hålls med en optisk klocka är kompatibel med dagens standard cesium atomklockor, forskarna konverterade frekvensen av en ytterbium optisk atomur vid NIST till mikrovågsregionen och jämförde den med en samling mätningar från cesium atomklockor som finns över hela världen.

De uppnådde frekvensmätningar av ytterbium optisk klocka med en osäkerhet på 2,1 X 10-16. Detta motsvarar att man bara tappar cirka 100 sekunder över universums ålder (14 miljarder år) och sätter ett nytt noggrannhetsrekord för cesiumrefererade mätningar av en optisk klocka.

Även om optiska klockor är mycket exakta, de tenderar att uppleva betydande stillestånd på grund av deras tekniska komplexitet och prototypdesign. Forskarna vid NIST använde en grupp med åtta vätgasmaskiner för att hålla tiden när den optiska klockan inte fungerade. Masers, som är som lasrar som arbetar i spektrumområdet mikrovågsugn, kan på ett tillförlitligt sätt hålla tiden men har begränsad noggrannhet.

"Maskinernas stabilitet - en av de bästa lokala tidsskalorna i världen - är en anledning till att vi kunde göra en så exakt jämförelse med cesium, "sa Tom Parker, medlem i forskargruppen. De minskade osäkerheten ytterligare genom att göra 79 mätningar under 8 månader. Detta är första gången som optiska klockmätningar har rapporterats under en så lång tidsperiod.

För att bättre förstå gränserna för optiska klockor, forskarna planerar att jämföra ytterbium optisk klocka som används i denna studie med andra typer av optiska klockor under utveckling vid NIST. Så småningom, NIST -klockorna kan jämföras med optiska klockor i andra länder för att avgöra vilka typer av klockor som är bäst för att omdefiniera SI -sekunden.

Forskarna påpekar att omdefiniering av längden på en sekund fortfarande är några år bort. Även om det ändras, att tillämpa den nya standarden skulle kräva teknik som bättre förbinder och överför signaler från optiska klockor runt om i världen på ett sätt som bibehåller stabilitet och tidens noggrannhet.