Годинник на вашій руці або телефоні може бути достатнім для повсякденного життя, але вчені прагнуть до більшої точності. Вони використовують атомні годинники для вимірювання часу з максимальною точністю.

Ці годинники базуються на 'тиках' світлових хвиль або мікрохвильових сигналів, які налаштовуються електронами, що змінюють енергетичні рівні під впливом зовнішнього джерела енергії. Оскільки ці зміни відбуваються з певною, відомою частотою для кожного елемента, один атом може бути використаний для забезпечення точності тиков.

Наразі в нас є новий атомний годинник, який стверджує, що перевершує всі попередні рекорди точності. Він базується на елементі лютецію і вимірює секунду з невизначеністю менше ніж одна десята мільярдної мільярдної частини секунди, що приблизно в чотири рази краще, ніж будь-який попередній запис.

Іншими словами, він повинен помилятися менше ніж на секунду, якщо його залишити працювати протягом 300 мільярдів років (що приблизно дорівнює десяти мільярдам мільярдних секунд). Дослідники з Національного університету Сінгапуру опублікували свою роботу в Nature.

"Я впевнений, що те, що ми маємо зараз, є найточнішим годинником у світі," говорить фізик Мюррей Баррет. "У майбутньому я просто не бачу, як цей годинник може бути перевершений."

Атомні годинники традиційно використовували цезій як свій елемент посилання, але в останні роки тестувалися й інші елементи, включаючи стронцій. Ці елементи коливаються швидше, ніж цезій, що означає більше тиков на секунду.

Дослідники вивчали можливість використання лютецію протягом десятиліття і наразі є єдиною командою, яка реалізувала його потенціал у вимірюванні часу.

Де елемент дійсно відзначається, так це в його стабільності. Його атомна структура робить його надзвичайно стійким до тепла, магнетизму та руху, які можуть заважати змінам енергетичних станів електронів.

"Добрі властивості означають, що висока точність може бути досягнута навіть у широкому діапазоні умов," говорить Баррет.

"Годинник на основі лютецію буде стабільним навіть якщо ви перейдете з найгарячішого місця на Землі в Долині Смерті до найхолоднішого місця на Антарктичному плато."

Щоб перевірити точність свого атомного годинника, дослідники побудували другий, також на основі лютецію. З урахуванням теорії загальної відносності Ейнштейна (годинники не були в точно такому ж місці), два пристрої були порівняні один з одним.

Протягом 200 годин вимірювань, що зайняли 12 днів, різниця між двома годинниками була настільки малою, що фактично дорівнювала нулю.

"Є жарт, що 'людина з годинником знає, котра година, а людина з двома годинниками ніколи не впевнена'," говорить фізик Кайл Арнольд.

"Це в основному говорить про те, що єдиний спосіб перевірити точність стандарту - це порівняти годинники і продемонструвати відтворюваність."

Окрім того, що це просто дуже хороший орієнтир для того, котра година, ці суперточні годинники є безцінними для деяких з найосновніших, масштабних досліджень у фізиці – наприклад, вимірювання того, як гравітація змінюється по всій Землі.

Щоб просунути технологію атомних годинників далі, команда хоче зменшити їх розмір (в даний час вони займають цілу лабораторію), щоб їх можна було переміщати з місця на місце. Це означає, що їх можна тестувати на точність у більшій кількості місць і використовувати для практичних застосувань (наприклад, моніторинг підземної магми).

Знову ж таки, лютецій має властивості, які можуть допомогти. Елемент використовує стандартні лазери, які не займають надмірно багато місця, і працює при кімнатній температурі без необхідності в громіздких системах охолодження.

"Наступний крок - взяти лабораторний годинник і мініатюризувати його в переносну систему," говорить фізик Майкл Лі.

Дослідження було опубліковано в Nature.