Корейский институт стандартов и науки (KRISS) заново измерил частоту ключевого перехода атома стронция - впервые с 1938 года. Для этого использовали фотонный дифракционный чип: пластину с микроструктурой, которая направляет и отражает свет. Погрешность нового значения более чем в 50 раз меньше прежней. Работа опубликована в журнале Metrologia.

Стронций применяют в точных квантовых технологиях - оптических решётчатых часах и квантовых сенсорах. Чтобы работать с атомами, их замедляют и удерживают лазерами с точно настроенной частотой. Для этого нужно знать точную резонансную частоту света, соответствующую переходу в атоме.

Прежнее значение получили в 1938 году, сравнивая спектр Солнца с дуговым разрядом стронция. Его погрешность слишком велика для современных лазеров, поэтому исследователи подбирали частоту, наблюдая за откликом атомов, - как крутят ручку аналогового радиоприёмника, чтобы поймать станцию.

С развитием управления светом и миниатюризации квантовых устройств потребовалось точное абсолютное значение частоты. Команда измерила абсолютную частоту оптического перехода стронция на длине волны 461 нанометр (нм - одна миллиардная метра). После года точных измерений неопределённость удалось снизить до примерно 5 мегагерц (МГц - миллион колебаний в секунду), что более чем в 50 раз лучше прежнего результата.

Измерение привязали к национальному стандарту времени и частоты Кореи, который поддерживает KRISS. Поскольку этот стандарт связан с Международной системой единиц (СИ), результаты можно надёжно сравнивать с тем же эталоном в любой точке мира, независимо от лаборатории и оборудования.

Ключевое устройство - фотонный дифракционный чип, созданный KRISS совместно с Корейским институтом передовых технологий (KAIST) и Национальным центром нанофабрикации. Тонкая решётка на поверхности чипа, установленного в вакууме, отклоняет и отражает свет в заданных направлениях. Это снижает ошибки из-за механических вибраций по сравнению с обычными схемами, где нужно юстировать несколько внешних зеркал. Кроме того, один чип может создавать лазерные пучки в нескольких направлениях, упрощая оптическую установку.

Уменьшив аппаратные погрешности, исследователи независимо определили частоту перехода двумя методами с разными принципами, чтобы проверить надёжность. Один анализирует отклик атомов на свет в зависимости от частоты лазера, другой вычисляет частоту по распределению скоростей атомного пучка, замедленного лазерами. Значения совпали в пределах погрешностей, а итог рассчитали с учётом неопределённости каждого результата по международным правилам.

Новое значение может служить ориентиром для точного охлаждения, удержания и управления атомами стронция в оптических решётчатых часах, квантовых сенсорах и нейтральных атомных квантовых компьютерах. Вместе с разрабатываемой технологией синтеза оптических частот это избавит квантовые устройства от привязки к громоздким внешним атомным эталонам частоты. Ожидается, что такие технологии ускорят миниатюризацию и коммерциализацию квантовых устройств на холодных атомах.

"Главная ценность работы не просто в повторном измерении одной частоты, а в том, что мы заранее предоставили точку отсчёта для следующего поколения квантовых технологий", - сказал доктор Джэ Хун Ли, ведущий научный сотрудник группы атомных квантовых сенсоров KRISS. Он добавил, что институт как национальный метрологический орган продолжит создавать стандарты для новых областей измерений в квантовой науке.

Источник: Phys.org