Іонні оптичні еталони Lu+ підтвердили точність на рівні 19-го знака
Два оптичні еталони на іонах лютецію-176 підтвердили узгодженість частот на рівні 5,7×10−19 після 200 годин вимірювань.
Два незалежні оптичні еталони частоти на одиночних іонах ізотопу лютецію-176 (176Lu+) продемонстрували узгодженість на рівні 5,7×10−19 після 200 годин усереднення вимірювань. Кожен еталон має оцінену систематичну невизначеність близько 1×10−19, що вчетверо менше за найнижчий раніше заявлений показник для таких стандартів.
Порівняння двох незалежних систем
Як повідомляє Nature, дослідники порівнювали два одиночні іони 176Lu+, розміщені в окремих іонних пастках Lu-1 і Lu-2. Середня різниця їхніх частот за підсумками 11 вимірювань становила [−0,1±5,7 статистична ±1,0 систематична]×10−19. Загальна тривалість вимірювань склала 200 годин, проведених протягом 12,4 дня.
Для порівняння застосували кореляційну спектроскопію. Метод дає змогу відкидати спільний фазовий шум лазера, тому точність зіставлення визначається властивостями атомних еталонів, а не характеристиками конкретного лазера. Під час найдовшого безперервного вимірювання тривалістю 37 годин нестабільність становила 4,8×10−16 (τ/с)−1/2.
Чому використали лютецій
Дослідження ґрунтувалося на оптичному переході 176Lu+ із довжиною хвилі 848 нм. Автори зазначають, що цей перехід серед усталених годинникових систем має найменшу чутливість до випромінювання абсолютно чорного тіла та магнітних полів. Велика маса атома також зменшує вплив руху іона на частоту.
В експерименті використовували усереднення за трьома надтонкими переходами, що значною мірою нівелює квадрупольний і квадратичний ефекти Зеємана. Час опитування атомів сягав 10 секунд, хоча в більшості серій застосовували інтервал 5 секунд.
Оцінка систематичних похибок
Систематичну невизначеність для Lu-1 оцінили у 1,2×10−19, для Lu-2 — у 1,3×10−19, а для різниці між ними — у 1,0×10−19. Найбільшими джерелами систематичних зсувів були квадратичний ефект Зеємана та вплив теплового випромінювання навколишнього середовища.
Науковці окремо перевірили найбільший систематичний ефект, повторно вимірявши коефіцієнт квадратичного зсуву Зеємана у 2024 та 2025 роках. Температуру середовища іонів оцінили у 301,5(1,7) K для Lu-1 та 300,8(1,2) K для Lu-2. Автори роботи розглядають такі порівняння еталонів одного виду атомів як спосіб експериментально перевіряти бюджети похибок оптичних стандартів частоти.
