ساعت Nist Ion رکورد جدیدی را برای دقیق ترین ساعت در جهان تعیین می کند

یک دارنده رکورد جدید برای دقیق ترین ساعت جهان وجود دارد. محققان انستیتوی ملی استاندارد و فناوری (NIST) خود را بهبود بخشیده اند ساعت اتمی بر اساس یون آلومینیومی به دام افتاده. بخشی از آخرین موج از ساعتهای اتمی نوری، می تواند با 19 مکان اعشاری از دقت ، زمانبندی را انجام دهد.

ساعتهای نوری به طور معمول در دو سطح ارزیابی می شوند – دقت (چقدر نزدیک شدن یک ساعت به اندازه گیری زمان “واقعی” ایده آل ، که به عنوان عدم اطمینان سیستماتیک نیز شناخته می شود) و ثبات (چقدر یک ساعت کارآمد می تواند زمان را اندازه گیری کند ، مربوط به عدم اطمینان آماری). این رکورد جدید در دقت از 20 سال بهبود مستمر ساعت یون آلومینیوم حاصل می شود. فراتر از صحت جهانی خود ، 41 ٪ بیشتر از رکورد قبلی ، این ساعت جدید نیز 2.6 برابر پایدار از هر ساعت یون دیگر است. دستیابی به این سطوح به معنای بهبود دقیق هر جنبه ای از ساعت ، از لیزر به تله و محفظه خلاء است.

این تیم نتایج خود را منتشر کرد نامه های بررسی فیزیکیبشر

میسون مارشال ، محقق NIST و نویسنده اول این مقاله گفت: “کار کردن روی دقیق ترین ساعت تا کنون بسیار هیجان انگیز است.” “در NIST ما باید این برنامه های بلند مدت را در اندازه گیری دقیق انجام دهیم که می تواند حوزه فیزیک و درک ما از دنیای اطراف خود را تحت فشار قرار دهد.”

یون آلومینیوم یک ساعت فوق العاده خوب و با نرخ “تیک زدن” بسیار ثابت و با فرکانس بالا ایجاد می کند. کنه های آن از سزیم پایدارتر است ، که فراهم می کند تعریف علمی فعلی از دومین مورد ، گفت دیوید هیوم ، فیزیکدان NIST که پروژه ساعت یون آلومینیوم را رهبری می کند. و یون آلومینیوم به برخی از شرایط محیطی مانند دما و میدان های مغناطیسی حساس نیست.

مارشال توضیح داد که یون آلومینیوم نوعی خجالتی است. بررسی و خنک کردن آلومینیوم با لیزر ، هر دو تکنیک لازم برای ساعتهای اتمی دشوار است. بنابراین گروه تحقیق یون آلومینیوم را با منیزیم جفت کرد. منیزیم خاصیت زیبایی از آلومینیوم را ندارد ، اما می توان آن را به راحتی با لیزر کنترل کرد. ویلا آرتور-دوورشاک ، دانشجوی فارغ التحصیل این پروژه گفت: “این سیستم رفیق برای یون ها طیف سنجی منطق کوانتومی نامیده می شود.” یون منیزیم یون آلومینیوم را خنک می کند و آن را کند می کند. همچنین با شریک آلومینیومی خود به طور همزمان حرکت می کند و وضعیت ساعت را می توان از طریق حرکت یون منیزیم خواند و این یک ساعت “منطق کوانتومی” را رقم زد. دانیل رودریگز کاستیلو ، همچنین دانشجوی فارغ التحصیل این پروژه ، گفت: حتی با این هماهنگی ، هنوز هم مجموعه ای از جلوه های جسمی برای توصیف وجود دارد.

رودریگز کاستیلو گفت: “این یک چالش بزرگ و پیچیده است ، زیرا هر قسمت از طراحی ساعت بر ساعت تأثیر می گذارد.”

یکی از چالش ها ، طراحی تله ای بود که یون ها در آن نگهداری می شوند ، که باعث حرکات ریز یون ها می شد ، به نام میکرومیوت اضافی ، که باعث کاهش دقت ساعت می شدند. این ریزگردهای اضافی نرخ کنه یون ها را از بین می برد. عدم تعادل الکتریکی در طرفهای مخالف تله در حال ایجاد زمینه های اضافی بود که یونها را مختل می کرد. این تیم تله را دوباره طراحی کرد و آن را روی ویفر الماس ضخیم تر قرار داد و پوشش های طلا را روی الکترودها اصلاح کرد تا عدم تعادل میدان الکتریکی را برطرف کند. آنها همچنین پوشش های طلا را ضخیم تر کردند تا مقاومت را کاهش دهند. پالایش تله از این طریق حرکت یون ها را کند کرد و به آنها اجازه داد که “تیک” بی بند و باری شوند.

سیستم خلاء که در آن تله باید کار کند نیز باعث ایجاد مشکلاتی شد. مارشال گفت ، هیدروژن از بدنه فولاد یک محفظه خلاء معمولی خارج می شود. اثری از گاز هیدروژن با یون ها برخورد کرد و عملکرد ساعت را قطع کرد. این محدوده محدود مدت زمان آزمایش قبل از بارگیری مجدد یون ها برای بارگیری مجدد است. این تیم مجدداً محفظه خلاء را دوباره طراحی کرد و آن را از تیتانیوم بازسازی کرد که باعث کاهش 150 بار گاز هیدروژن پس زمینه شد. این بدان معنی بود که آنها می توانند روزها بدون بارگذاری مجدد تله به جای بارگیری مجدد هر 30 دقیقه یکبار انجام دهند.

هنوز یک ماده دیگر مورد نیاز آنها وجود داشت: یک لیزر با ثبات تر برای بررسی یون ها و شمارش کنه های آنها. نسخه ساعت 2019 باید هفته ها اجرا شود تا به طور متوسط نوسانات کوانتومی – تغییرات تصادفی موقت در وضعیت انرژی یونها – ناشی از لیزر آن باشد. برای کاهش آن زمان ، این تیم به جون یو خود Nist روی آورد ، که آزمایشگاه آن در JILA (یک موسسه مشترک NIST و دانشگاه کلرادو بولدر) میزبان یکی از پایدار ترین لیزرهای جهان است. ساعت مشبک استرانسیوم ، استرانسیوم 1 ، رکورد قبلی را برای دقت برگزار کردبشر

این یک تلاش تیمی بود. با استفاده از پیوندهای فیبر در زیر خیابان ، گروه YE در JILA پرتو لیزر فوق العاده قابل قبول 3.6 کیلومتر (کمی بیشتر از 2 مایل) را به شانه فرکانس در آزمایشگاه تارا فورتیر در NIST. شانه فرکانس ، که به عنوان “حاکم برای نور” عمل می کند ، به گروه ساعت یون آلومینیوم اجازه می دهد تا لیزر خود را با یک فرد فوق العاده قابل مقایسه مقایسه کند. این فرآیند لیزر آزمایشگاه Ye را قادر می سازد تا ثبات خود را به لیزر ساعت آلومینیوم منتقل کند. با این پیشرفت ، محققان می توانند یونها را برای یک ثانیه کامل در مقایسه با سابقه قبلی 150 میلی ثانیه بررسی کنند. این باعث افزایش ثبات ساعت می شود و باعث کاهش زمان لازم برای اندازه گیری از مکان اعشاری از سه هفته به روز به روز و نیم می شود.

با این رکورد جدید ، ساعت یون آلومینیوم در تلاش بین المللی برای تعریف مجدد از دقت دوم به بسیار بیشتر از گذشته ، تسهیل پیشرفت های علمی و فناوری جدید کمک می کند. این به روزرسانی ها همچنین به طور چشمگیری استفاده از آن را به عنوان یک تست منطق کوانتومی بهبود می بخشد و مفاهیم جدید در فیزیک کوانتومی را بررسی می کند و ابزارهای مورد نیاز برای فناوری کوانتومی را ایجاد می کند ، چشم انداز مهیج برای افراد درگیر. مهمتر از همه ، با کاهش میانگین زمان از هفته ها به روزها ، این ساعت می تواند ابزاری برای اندازه گیری های جدید باشد ژئودزنی و فیزیک را فراتر از مدل استاندارد کشف کنید ، مانند این احتمال که ثابت های اساسی طبیعت مقادیر ثابت نیستند بلکه در واقع در حال تغییر هستند.

آرتور-دوورچاک گفت: “با این پلتفرم ، ما آماده هستیم تا معماری های ساعت جدید را کشف کنیم-مانند افزایش تعداد یونهای ساعت و حتی درگیر کردن آنها-بیشتر قابلیت های اندازه گیری ما را بهبود می بخشد.”

---

مقاله: میسون سی مارشال ، دانیل A. رودریگز کاستیلو ، ویلا جی آرتور-دوورشک ، الکساندر آپپی ، کیونگته کیم ، داهون لی ، ویلیام وارفیلد ، جوست هینریش ، تارا م. فورتیر ، جون یو ، دیوید آر. لایبراند و دیوید ب. ساعت تک یون با استحکام بالا با عدم اطمینان سیستماتیک 5.5 5 5 5.5. نامه های بررسی فیزیکی. منتشر شده به صورت آنلاین 14 ژوئیه 2025. doi: 10.1103/HB3C-DK28