Учёные из Национального университета Сингапура создали новый тип сверхточных атомных часов на основе лютеция — впервые отказавшись от привычных цезия и рубидия. Атомная масса лютеция составляет 71, он расположен в конце ряда лантаноидов, сразу после иттербия, и крайне редко встречается в природе.
Благодаря большой массе атома его собственные колебания значительно меньше, чем у цезия. Частота оптического перехода в часах на лютеции составляет около 354 ТГц — примерно в 10 000 раз выше частоты микроволнового перехода в цезиевых часах. Именно это сочетание частоты и низкого уровня ошибок делает новые часы самыми точными на сегодня.
Такая точность позволяет фиксировать сверхмалые изменения частоты, возникающие даже из-за разницы гравитационного потенциала. Потенциально это даёт возможность измерять перепады высоты на миллиметровом уровне, что полезно для сверхточной геодезии, проверки общей теории относительности и поиска слабых изменений фундаментальных констант.
Установка работает при комнатной температуре и не требует криогенного охлаждения, что делает технологию перспективной для создания новых эталонов времени. Тяжёлые атомы лютеция также менее чувствительны к магнитным полям и перепадам температуры — точность часов не будет зависеть от того, находятся ли они на полюсе или в пустыне.
В эксперименте использовался один ион изотопа лютеций-176, удерживаемый в электромагнитной ловушке при комнатной температуре. Лазер с длиной волны около 848 нм переводил ион между двумя энергетическими состояниями, а частота этого перехода служила эталоном времени.
Две независимые установки сравнивались на протяжении около 200 часов. Их частоты совпали с относительным расхождением порядка 10⁻¹⁹, а систематическая неопределённость составила 1,2 и 1,3 × 10⁻¹⁹ для каждой установки — примерно в четыре раза лучше предыдущего рекорда, установленного китайскими учёными на ионах кальция.