שעון אטומי אופטי רב-יוני לוקח צעד לקראת שינוי ההגדרה של שנייה

חוקרים פיתחו גישה חדשה בשעונים אטומיים אופטיים שמביאה מטרה מרכזית במדע: הגדרה מחדש של שנייה. יחידת הזמן הבסיסית יכולה להתבסס בקרוב על משהו מעבר למעבר של שני מצבי קרקע היפר-עדינים של צסיום, שהייתה ההגדרה מאז 1967. הצעד הקונקרטי הראשון בשינויו קרה כעת.

במהלך השנים האחרונות, חוקרים הראו כי ניתן לתכנן שעונים מדויקים פי 1,000 מהשעונים האטומיים שעליהם מבוססת ההגדרה המקורית של השני. השעונים האטומיים האופטיים האלה נשברו, אבל אתגר חשוב להגדרה מחדש היה השוואת השעונים השונים בדיוק גבוה מספיק.

תהליך זה קשה אך הוא גם מייגע. מדידת יחסי התדר - ההשוואה בין שעונים שונים - אורכת לרוב ימים רבים. העיצוב הרב-יונים החדש ניתן להרחבה ויכולת ההרחבה שלו מוגדרת כדי להפוך את ההשוואה לקצרה. אם יש לך 10 יונים בשעון, המדידה מהירה פי 10.

זו כבר התפתחות חשובה, אבל הצוות הצליח לעשות יותר. כדי להדגים שהשעונים טובים מספיק כדי להוביל להגדרה מחדש של השני, היעד לפעימה היה יחס תדרים של פחות מ-5x10^-18או פחות מחמישה חלקים למיליארד מיליארד. הקבוצה הצליחה להשיג בדיוק את זה.

למערכת עדיין יש הרבה יותר פוטנציאל.

ד"ר ג'ונאס קלר

"כאן אנו מודדים את יחס התדרים של שעון יון בודד, שהוא שעון מבוסס ותיק יותר שפועל כבר יותר מ-10 שנים - 'שעון קלאסי'. והשווינו את השעון שלנו לשעון הזה. אז תרומת השגיאה של שעון אחד ושעון שני נכנסות לתקציב השגיאה המשולב הזה, כי זה היה באמת על מדידת יחסי תדירות, שזה אחד מהאמות מידה להגדרה מחדש [אפשרית] של השני."פרופסור טניה מהלשטאובלראמר ל-IFLScience.

"המדד אמר רק אם יש כמה אנשים שיכולים למדוד אותו מתחת ל-5x10^-18אז נוכל ללכת צעד לקראת ההגדרה מחדש. לכן היה לנו מאוד חשוב לחצות את הרף הזה. במובן הזה באמת שברנו שיא עולמי אמיתי כי אף אחד עד כה לא השווה בין שני סוגי שעונים אופטיים ברמה הזו!"

ההישג שובר השיאים מרגש ביותר. זה משהו לשמוח עליו, אבל זו גם מאוד התחלה. עבודה תיאורטית העלתה כי לשעון מרובה יונים זה יש את היכולת ללכת רחוק עוד יותר בהפחתת אי הוודאות.

"הראינו ב-2019 מה המערכות הללו יכולות לעשות באופן תיאורטי. זו הייתה ההדגמה האמיתית הראשונה של פעולת שעון עם חוסר ודאות שכזה. למערכת עדיין יש הרבה יותר פוטנציאל. זה יכול לרדת ל-1x10^-19באי ודאות שיטתית כפי שהראינו באופן עקרוני. אבל כמובן, האתגר הוא בעצם לעשות את זה",ד"ר ג'ונאס קלר, אחד הכותבים הראשונים של העבודה, אמר ל-IFLScience.

זה מאוד מתגמל לעבוד בתחום שבו מדידות מאוד מדויקות אפשריות, כי ככל שאתה מודד מדויק יותר אתה עומד לקבל יותר הפתעות.

פרופסור טניה מהלשטאובלר

שיפור ההגדרה של השני הוא ללא ספק המוקד העיקרי של העבודה הזו, אבל לפיתוח השעונים האלה יש כמה יישומים מדהימים. שעונים אלה רגישים להשפעות כבידה זעירות. אותו שעון יכול לדעת אם הם הוזזו למעלה ולמטה על ידי א. אז הם יכולים לשמש כדי לעקוב אחר תנועת כדור הארץ, ושינויים בגובה של מסת היבשה עקב היעלמות קרחונים או הפשרת פרמפרפר.

שעונים אלה יכולים לעזור להמשיך ולחקור את גבולות הפיזיקה שלנו הן בתורת היחסות הכללית והן במכניקת הקוונטים. הם יושבים בחוד החנית של הידע שלנו על היקום הבסיסי. אבל הם לא מדע בדיוני. הם מאוד אמיתיים.

"זה מאוד מתגמל לעבוד בתחום שבו מדידות מאוד מדויקות אפשריות, כי ככל שאתה מודד יותר מדויק אתה צפוי לקבל יותר הפתעות. אני באמת מצפה למדוד זמן כל כך מדויק", אמר פרופסור מהלסטאובלר ל-IFLScience.

מאמר המתאר את ההישג מתפרסם בכתב העתמכתבי סקירה פיזית.