I ett betydande framsteg mot den framtida omdefinieringen av den internationella tidsenheten, den andra, en forskargrupp ledd av National Institute of Standards and Technology (NIST) har jämfört tre av världens ledande atomklockor med rekordnoggrannhet över både luft- och optiska fiberlänkar.

Beskrivs i numret av 25 mars Natur , det NIST-ledda arbetet är det första som jämför tre klockor, baserad på olika atomer, och den första att länka samman de mest avancerade atomklockorna på olika platser över luften. Dessa jämförelser av atomur placerar det vetenskapliga samfundet ett steg närmare att uppfylla riktlinjerna för omdefiniering av den andra.

"Dessa jämförelser definierar verkligen den senaste tekniken för både fiberbaserade och fria utrymmesmätningar - de är alla nära 10 gånger mer exakta än alla klockjämförelser med olika atomer utförda hittills, " NIST-fysikern David Hume sa.

De nya mätningarna var utmanande eftersom de tre typerna av atomer som var involverade "tickar" vid mycket olika frekvenser, eftersom alla de många nätverkskomponenterna var tvungna att fungera med extrem noggrannhet, och för att den trådlösa länken krävde banbrytande laserteknik och design.

Studien jämförde aluminiumjonklockan och ytterbiumgitterklockan, ligger i olika laboratorier på NIST Boulder, med strontiumgitterklockan belägen 1,5 kilometer bort vid JILA, ett gemensamt institut för NIST och University of Colorado Boulder. Teamets mätningar var så exakta att osäkerheterna bara var 6 till 8 delar av 10 ¹⁸ -det är, fel översteg aldrig 0,000000000000000008—för både fiber och trådlösa länkar.

NIST-forskare har tidigare beskrivit hur de överförde tidssignaler över luftlänken mellan två av klockorna, NIST ytterbium och JILA strontium klockor, och fann att processen fungerade lika bra som den fiberbaserade metoden och 1, 000 gånger mer exakt än konventionella trådlösa överföringssystem. Detta arbete visar hur de bästa atomklockorna kan synkroniseras över avlägsna platser på jorden och, när tidssignaler överförs över längre avstånd, även mellan rymdfarkoster.

Nyckeln till luftlänken var användningen av optiska frekvenskammar, som möjliggör exakta jämförelser av vitt skilda frekvenser. NIST-forskare utvecklade tvåvägsöverföringsmetoder för att exakt jämföra optiska klockor i luften, även under förhållanden med atmosfärisk turbulens och laboratorievibrationer. Den kambaserade signalöverföringstekniken hade demonstrerats tidigare men det senaste verket var det första som jämförde toppmoderna atomur.

Sedan 1967, den andra har definierats utifrån cesiumatomen, som tickar vid en mikrovågsfrekvens. Atomklockorna som används i de nya jämförelserna tickar vid mycket högre optiska frekvenser, som delar upp tiden i mindre enheter och därmed ger större precision. Jämförelser är avgörande för det internationella samfundets val av en eller flera atomer som nästa tidsstandard.

De nya NIST-resultaten rapporterade i Natur även sätta andra viktiga rekord. Frekvens är den mest exakt uppmätta enskilda storheten inom vetenskapen. NIST-teamet mätte frekvensförhållanden, de kvantitativa sambanden mellan atomernas frekvenser mätt i tre par (ytterbium-strontium, ytterbium-aluminium, aluminium-strontium). Resultaten är de tre mest exakta mätningarna som någonsin gjorts av naturliga konstanter. Frekvensförhållanden betraktas som konstanter och används i vissa internationella standarder och tester av grundläggande fysikteorier.

Frekvensförhållanden erbjuder en viktig fördel som ett mått för att utvärdera optiska atomklockor. En direkt mätning av en optisk klockfrekvens i de vanliga enheterna för Hertz begränsas av noggrannheten i den nuvarande internationella standarden, cesium mikrovågsklockan. Frekvensförhållanden övervinner denna begränsning eftersom de inte uttrycks i några enheter.

Frekvensförhållanden mäts vanligtvis över långa avstånd genom användning av fibernät, som är få och långt emellan, eller i vissa fall med mikrovågsdata överförd via satellitlänkar, som tenderar att vara instabila.

Riktlinjer för omdefiniering av den andra rekommenderar demonstration och verifiering av multipla frekvensförhållandemätningar med osäkerheter som närmar sig bästa optiska klockprestanda. Alla tre typerna av klockor i den nya studien erbjuder överlägsna prestanda nu och lovar ytterligare förbättringar. NIST:s ytterbiumklockor, till exempel, representerar atomernas naturliga frekvens (ett värde känt som systematisk osäkerhet) inom ett möjligt fel på bara 1,4 delar av 10 ¹⁸ – ungefär en miljarddel av en miljarddel.

NIST:s nya mätningar av frekvensförhållande, medan du ställer rekord, är inte riktigt så bra än. Men forskargruppen arbetar med att förbättra mätstabilitet och klockprestanda, sa Hume.

Utöver deras roll i nästa generations internationella standarder, optiska atomklockor kan användas som känsliga sonder för ny fysik, som den "mörka materien" som tros utgöra det mesta i universum. Teknologiska tillämpningar för optiska klockor inkluderar förbättrad tidtagning och navigationssystem och mätning av jordens gravitationsform (geodesi).