Атомний годинник на лютеції встановив новий рекорд точності

24 вересня 2026 р. 12:32

24 вересня 2026 р. 12:32

Поки науковці обговорюють можливе переозначення тривалості однієї секунди, Центр квантових технологій у Сінгапурі представив нового претендента на роль еталонного годинника. Команда продемонструвала атомний годинник на основі лютецію, який за точністю не лише відповідає найкращим сучасним зразкам, а й, за їхніми даними, перевершує їх. Про роботу розповідає видання New Atlas .

«Я впевнений, що зараз у нас найточніший годинник у світі», — заявляє фізик Мюррей Барретт (Murray Barrett) з Національного університету Сінгапуру.

Як працюють оптичні атомні годинники

Атомні оптичні годинники відраховують час, використовуючи електрони як своєрідний маятник. Подібно до вантажу в маятниковому годиннику, що коливається з певною періодичністю, електрон, якому передають точно визначену порцію енергії, «перескакує» між квантовими станами з дуже стабільною частотою.

Різні елементи мають свої характерні частоти таких переходів, тому «йдуть» трохи по‑різному. З 1960‑х років стандартом для визначення секунди слугує атом цезію. Водночас створені годинники на інших елементах, наприклад іттербії чи стронції, кожен з яких має власні переваги.

Одна з ключових характеристик атомного годинника — низька систематична невизначеність . Потрібно одночасно досягти високої чутливості й надійності: щоб електрони чітко реагували на імпульси лазера і стабільно випромінювали «сигнальні» фотони.

Чому лютецій виявився настільки вдалим

Лютецій — важкий елемент серед тих, що використовуються в оптичних атомних годинниках. З атомною масою 71 він розташований наприкінці лантаноїдного ряду, одразу за іттербієм, що робить його менш схильним до «хитань» або збурень.

Атоми лютецію майже не реагують на теплове випромінювання та зміни магнітного поля, тому зовнішні умови викликають менше похибок. Крім того, характерна частота переходів у лютецію приблизно у 10 000 разів вища за цезієву, що відкриває шлях до надзвичайно точної та водночас стабільної шкали часу.

За словами Барретта, поєднання цих властивостей означає, що високу точність можна зберігати у широкому діапазоні умов. Лютієвий годинник, стверджує він, залишатиметься стабільним, навіть якщо перенести його з найспекотнішого місця на Землі в Долині Смерті до найхолоднішої точки на Антарктичному плато.

Однак є й мінуси: лютецій — найрідкісніший з усіх рідкісноземельних елементів і один із найменш вивчених щодо придатності до прецизійних вимірювань часу.

Рекордна систематична невизначеність

Цю прогалину Барретт і його колеги заповнювали близько десяти років. За цей час вони детально дослідили як саму експериментальну систему, так і заряджений атом лютецію, поступово зменшуючи всі відомі джерела систематичних похибок.

Щоб перевірити результат, команда порівняла два незалежні лютієві годинники за суворо визначених критеріїв. Попередні експерименти дозволили налаштувати установку так, щоб максимально знизити невизначеність, і це поставило новий годинник у ряд найкращих із наявних.

На початку року інша група з Китайської академії наук досягла систематичної невизначеності 4,4 × 10⁻¹⁹ у годиннику на основі іонів кальцію. Сінгапурська команда змогла зменшити її ще більше: порівняння двох лютієвих годинників дало значення лише 1,2 × 10⁻¹⁹ . Дослідники очікують, що додаткові вимірювання дозволять ще трохи покращити цей показник.

Робота з такими величинами надзвичайно складна. Коли секунду ділять на трильйонні частки, викривлення часу в гравітаційному полі стають помітними вже на відстанях у кілька міліметрів. Ледь помітна різниця у висоті над центром Землі може призвести до неточностей між двома годинниками.

Навіщо нам така точність

Саме ця надчутливість робить нові атомні годинники настільки цінними для фундаментальної фізики. Вона дає змогу планувати експерименти, які потенційно допоможуть узгодити загальну теорію відносності, що описує гравітацію як гладке викривлення простору-часу, з квантовою механікою, що вказує на «зернисту» структуру реальності.

Паралельно триває дискусія, наскільки точною має бути базова одиниця часу — секунда. Нині її визначають як 9 192 631 770 гіпертонких переходів електрона, збуреного мікрохвилями в атомі цезію‑133 у його основному стані.

Питання в тому, чи може лютецій впоратися з цим завданням краще. Барретт налаштований оптимістично: за його словами, у майбутньому важко уявити, який інший годинник зміг би перевершити лютієвий.

Дослідження опубліковано в журналі Nature; офіційним джерелом виступає Національний університет Сінгапуру.

Наука