Найдено перспективное решение для создания высокоточных часов

Группа ученых из Петербурга выяснила, что молекулярный ион азота можно использовать в роли стандарта частоты для более точного измерения времени. Достигнутые результаты будут востребованы в исследованиях фундаментальных физических явлений и позволят улучшать навигационные системы.

Точность измерения времени крайне важна для глобальных навигационных спутниковых систем, в частности, GPS и ГЛОНАСС. Они запрограммированы на определении местоположения объектов через замеры времени, за которое сигналы от нескольких спутников доходят до приёмника.

Радиоволны движутся со скоростью света, поэтому даже малые погрешности в определении времени их регистрации способны привести к заметным ошибкам в определении положения объекта на Земле. Секунду определяют при помощи расчёта определённого числа переходов в атоме цезия (так называемый цезиевый стандарт). Сегодня цезиевые часы широко применяют в спутниках.

Атомные часы уже достигли поразительной точности, но специалисты ищут альтернативные подходы, в частности, на основе молекул. Так, часы на базе иона молекулярного азота (N2+) способны демонстрировать большую точность, особенно в условиях охлаждения до очень низких температур.

На частоту переходов между колебательными уровнями молекулы влияет температура – данный эффект известен как сдвиг из-за излучения абсолютно чёрного тела. Раньше его считали незначительным, но новые данные свидетельствуют: даже небольшие отступления способны заметно влиять на погрешность измерений.

Команда петербургских учёных для решения данной задачи провела ряд расчётов для определения кривых потенциальных энергий молекул азота и её однозарядного иона, предварительно изучив их электронную структуру. Были определены поляризации этих молекул во внешнем электрическом поле и учтено влияние температуры на их колебательные состояния.

Исследование выявило способность N2+ стать базой для создания новых молекулярных часов, более точных, нежели современные атомные. Результаты исследований научный коллектив представил в журнале Physical Review A (Q1).