Оптические часы берут время в свои руки экспресс
Самый точный секундомер в мире до сих пор работает с оглядкой на старый маятник. Водородные мазеры — лучшие радиочастотные «маховики» (устройства, хранящие ритм между сверками с эталоном) — накапливают ошибку из-за того, что шум между отсчётами просачивается в итоговый сигнал. Физики называют это эффектом Дика, и он ставит предел точности любой шкалы времени, построенной на радиочастотах.
Авторы заменили радиочастотный маховик оптическим. В их установке три независимых «хранителя ритма»: две пары зеркал из криогенного кремния, образующих сверхстабильный резонатор, и йодные часы, где частота привязана к молекулярному переходу. Каждый из них подстраивается по оптическим часам на атомах стронция — главному эталону, чья точность уходит за 18-й знак после запятой. Такая связка работает непрерывно больше 20 суток, и за это время три параллельные оптические шкалы расходятся меньше чем на 100 пикосекунд — время, за которое свет проходит всего 3 сантиметра.
Когда оптический эталон временно недоступен — например, на время юстировки или из-за сбоя — каждый маховик продолжает тикать самостоятельно. За шесть часов типичного перерыва набегает около 20 пикосекунд расхождения. Это в сотни раз меньше, чем дал бы водородный мазер в той же ситуации. Кольцо замыкается: эффект Дика, который раньше диктовал пределы точности, теперь подавлен настолько, что шкала времени впервые живёт по чисто оптическим законам.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2608.00910v1
Optical frequency standards have progressed rapidly over the past two decades, leading to the anticipated redefinition of the SI second by an optical frequency. However, time scales have not yet significantly improved despite this development because they are still fully reliant on rf flywheel oscillators, mostly hydrogen masers, which impose a performance limit related to incompletely sampled noise known as the Dick effect. To best benefit from the exceptional stability and accuracy of optical frequency standards, time scales must employ optical flywheels with orders-of-magnitude better short-term (<$$10^4$$ s) stability than masers. Here, we introduce three optical flywheel oscillators (two cryogenic silicon cavities and one iodine optical clock) with superior short-term stability than hydrogen masers and long-term stability on par with masers. Steering each optical flywheel with a high-uptime Sr optical frequency standard generates three parallel all-optical time scales with continuous operation over >20 days. When compared with each other, these all-optical time scales achieve <$$10^{-16}$$ relative instability after just a few days of averaging. During typical steering gaps of ~6 hours, the accumulated time difference is ~20 ps, leading to the total time difference of <100 ps over the full measurement period. With the proliferation of long-distance optical fiber links and commercialization of optical flywheels and frequency standards, we anticipate all-optical time scales to be the future of timekeeping.
Кремниевые резонаторы в этой работе охлаждены до криогенных температур, где тепловые колебания атомов почти замирают. При комнатной температуре тот же кристалл «дышит» в сотни раз сильнее, смазывая точность отсчёта.