Новая модель часов демонстрирует на 41% большую точность по сравнению с предыдущими ионными часами и превосходит их по стабильности в 2,6 раза. Эти впечатляющие достижения стали возможны благодаря 20-летнему процессу усовершенствования различных компонентов, включая лазеры и вакуумные камеры. Ключевым элементом в новых часах стал ион алюминия, который обладает чрезвычайно стабильной частотой колебаний. Как отметил физик Дэвид Хьюм, алюминий превзошел традиционный цезий, который является основой современного международного стандарта времени, благодаря своей меньшей чувствительности к внешним воздействиям, таким как температура и магнитные поля. Однако использовать алюминий в работе оказалось сложнее, чем ожидалось: его охлаждение и взаимодействие с лазером стали проблемными задачами. В связи с этим ученые дополнительно привлекли ион магния, который облегчает управление алюминием, одновременно охлаждая его и передавая информацию о его состоянии. Этот метод известен как квантовая логическая спектроскопия. Как пояснила аспирантка Уилла Артур-Дворшак, магний и алюминий действуют в связке, что позволяет эффективно считывать поведение алюминия. Для достижения такой высокой точности ученым пришлось устранить ряд физических помех. Одним из препятствий стало движение ионов внутри ловушки, вызванное микроскопическим электрическим дисбалансом, что негативно влияло на точность. Решение проблемы заключалось в переработке покрытия электродов и укреплении конструкции с использованием алмазной пластины. Еще одной неожиданной сложностью стал водород, выделяющийся из стали стенок вакуумной камеры, который мешал стабильной работе часов. Ученые заменили сталь на титан, что позволило снизить уровень водорода в 150 раз. В результате ловушка теперь может работать несколько дней подряд, в отличие от прежнего времени, когда её приходилось перезагружать каждые полчаса. Как отметил ведущий автор исследования, физик NIST Мейсон Маршалл, разработка таких часов является увлекательной работой на переднем крае фундаментальной физики. Ранее исследователи NIST представили квантовую батарею с рекордной скоростью зарядки.