Атомные часы что такое: Атомные часы — самые точные, как они работают и зачем нужны

Атомные часы — Мастерок.жж.рф — LiveJournal

Возможно, прежде вам уже приходилось видеть так называемые «наручные атомные часы» — однако в них есть подвох: они отслеживают атомное время, получая радиосигналы от близрасположенных лабораторных атомных часов, принадлежащих государству. Если вы окажетесь за пределами радиуса этих сигналов, вам придётся полагаться на обычные кварцевые механизмы.

Внутри же новых часов «Cesium 133» скрываются настоящие атомные часы на базе цезиевого осциллятора, которые делят каждую секунду ровно на 9,192,631,770 колебаний атома цезия.

Устройство этих часов невозможно было даже представить всего десять лет назад: внутри них скрывается лазер, нагреватель, герметичная капсула с цезиевым газом, микроволновой фильтр и фотодиодный детектор. Благодаря этой начинке, упакованной в один малогабаритный корпус, часы дают беспрецедентный уровень точности – порядка одной секунды в тысячу лет. Это на три порядка точнее любых существующих на сегодняшний день часовых технологий.

Давайте узнаем о них подробнее…

Первые в мире наручные атомные часы, которые были сконструированы Джоном Паттерсоном (John Patterson) и его фирмой Bathys Hawaii, оказались участниками среди множества стартапов на сайте Kickstarter. Несмотря на то, что прототип часов был представлен ещё полгода назад, нынешний их вариант получил более привлекательную вариацию исполнения. Хотя стоит заметить, что эстетический аспект у данного гаджета достаточно слабый или, правильнее сказать, выполнен уж очень «на любителя». Особенно если сравнивать его не только с классическими наручными часами ведущих мировых производителей, но и провести параллель с коллегой по цеху — карманными атомными часами Hoptroff No. 10.

часы Bathys Hawaii — это всё же уникальный в своём роде наручный гаджет для измерения времени, создание которого было даже трудно представить ещё 10 лет назад, хотя первые стационарные атомные часы появились в 1955 году. Основной конёк изобретения — его точность соответствует стандарту выбранной технологии изготовления часов, а сам производитель обещает погрешность всего в 1 с за каждые 1000 лет работы. Поэтому назвать именно часы причиной опоздания на службу у их владельца попросту не выйдет.

Главный принцип работы, как и в случае с другими подобными атомными устройствами, остался неизменным: по-прежнему в часах имеется герметичная камера, заполненная газообразным изотопом цезий-133, который не представляет радиоактивной угрозы для человеческого организма. При возбуждении лазерами атомов цезия встроенный в конструкцию резонатор измеряет атомные переходы. В классической физике секунда в системе СИ напрямую взаимосвязана с числом периодов электромагнитного излучения при переходе атомов изотопа цезия-133 на новый энергетический уровень.

Циферблат наручного устройства отображает следующие временные промежутки: секунды, минуты, часы и дату. Дополнительно имеется также индикатор фаз луны. В тандеме с модулем-генератором эталонного времени CSAC модели SA.45s выступает кварцевый механизм Ronda 509, который, хоть и не часто, но можно встретить к классических наручных часах. Это необходимо для того, чтобы преобразовывать вычислительную точность CSAC в привычное позиционирование стрелок на аналоговом циферблате.

Обновлённая модель часов теперь получила литий-ионный аккумулятор, который способен сохранять заряд при работе в течение 36 часов, а корпус устройства с размерами 60×50×23 мм будет выполнен из углеродного волокна. Предыдущая версия была выполнена из металла, который вряд ли может сравниться по долговечности с новым материалом. На данном этапе стоит внести читателям некоторую ясность в техническом аспекте обсуждаемых часов. То, что они способы показывать точное значение времени 1000 лет — вовсе не означает беспрерывность их работы весь этот период. Время автономной работы строго лимитировано зарядом батареи, которая потеряет свой заряд менее чем через двое суток.

Что касается стоимости, то наручные часы производства Bathys Hawaii стоят на данном этапе в 13 раз дешевле, чем Hoptroff No. 10, однако карманное устройство выполнено в корпусе из золота. Ценник в $6 тыс. актуален при условии, что вы станете владельцем одного из 6 прототипов, выставленных на Kickstarter. В дальнейшем стоимость часов составит уже $10 тыс., а произведённая серия будет строго лимитирована. Первоначальная же стоимость во время презентации в прошлом году была обозначена в $12 тыс. Джон Паттерсон рассчитывает собрать для выпуска первой партии не менее $42 тыс., но пока что эта сумма достигла отметки лишь $15 тыс.

Достаточно неброский вид устройства можно рассматривать как позиционирование часов в стиле стимпанк или даже милитари, о чем свидетельствуют не только строгие, грубые формы гаджета и массивный корпус, но и представленный на фото комплектный ремень.

А вот еще буквально неделю назад национальный институт стандартов и технологий (NIST) министерства торговли США 3 апреля 2014 года ввел в строй новые атомные часы NIST-F2, которые накапливают ошибку в одну секунду в течение 300 миллионов лет. Согласно сообщению NIST, новые часы заменили устаревшие атомные NIST-F1 и будут использоваться в качестве стандарта гражданского времени в США. Ранее данные о NIST-F2 были направлены в Международное бюро мер и весов в Париже, которое признало их самыми точными работающими атомными часами в мире.

Новые американские атомные часы, как и устаревшие NIST-F1, отсчитывают время благодаря квантовым переходам между разными состояниями изолированных групп атомов цезия. Отличительной чертой NIST-F2 является то, что они работают при отрицательной температуре 193 градуса Цельсия, в то время как версия F1 функционирует при температуре плюс 27 градусов Цельсия. Для последних время накопление ошибки в одну секунду составляет сто миллионов лет.

По данным NIST, холодная среда, в которой работают новые атомные часы, существенно снижает воздействие фоновой радиации и позволяет устранить некоторые погрешности в измерениях. Предыдущая версия атомных часов NIST-F1 функционировала и задавала стандарт гражданского времени в США с 1999 года. Стандарт американского военного времени определяется другой организацией ─ Военно-морской обсерваторией США.

В конце августа 2013 года Национальный институт стандартов и технологий США объявил, что его сотрудники разработали часы на основе атомов иттербия, которые по точности в десять раз превосходят все существующие аналоги. Эти часы состоят из десяти тысяч отдельных атомов иттербия, зафиксированных в лазерной оптической ловушке. Температура атомов не превышает одной сотой доли градуса от абсолютного нуля.

Запуск этих часов осуществляется при помощи специального лазера, который провоцирует переход атомов из одного квантового состояния в другое. Согласно данным измерений, атомные часы на основе иттербия накапливают погрешность в одну секунду за один миллиард лет.

[источники]

Источник перевод для gearmix (Cowanchee)

http://www.3dnews.ru/818412

http://lenta.ru/news/2014/04/04/atomclock/

А я вам напомню еще про Атомный самолет и что было у США ?, а так же про Атомные реакторы на торговых судах или например про Передвижные АЭС (ПАЭС) из СССР. А ведь были же еще и Атомные сады

Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия — http://infoglaz.ru/?p=46361

Tags: Технологии, Энергия

Атомные часы: принцип работы.

Атомные часы представляют собой прибор для очень точного измерения времени. Название они получили от принципа их работы, так как в качестве периода используются собственные колебания молекул или атомов. Атомные часы получили очень большое применение в навигации, в космической отрасли, для определения местоположения спутников, в военной сфере, для обнаружения , самолетов, а также в телекоммуникациях.

Сфер применения, как видно очень много, но зачем им всем нужна такая точность, ведь сегодня погрешность обычных атомных часов составляет всего 1 секунду в 30 миллионов лет? А ведь есть и еще точнее. Все объяснимо, ведь время используется для расчета расстояний, а там небольшая погрешность может привести к сотням метров, а то и километрам, если брать космические расстояния. Например, возьмем американскую систему навигации GPS, при использовании в приемнике обычных электронных часов, погрешность измерения координат будет достаточно существенна, что может повлиять на все остальные расчеты, а это может привести к последствиям, если речь идет о космических технологиях. Естественно для приемников GPS в мобильных устройствах и других гаджетах, большая точность совсем не важна.

Самое точное время в Москве и мире, можно узнать на официальном сайте — «сервере точного текущего времени» www.timeserver.ru

Из чего состоят атомные часы

Атомные часы состоят из нескольких главных частей: кварцевого генератора, квантового дискриминатора и блоков электроники. Основным, задающим отсчет, является кварцевый генератор, который строится на кристаллах кварца и выдает, как правило, стандартную частоту в 10, 5, 2.5 МГц. Так как стабильная работа кварца без погрешности довольно мала, его необходимо постоянно подстраивать.

Квантовый дискриминатор фиксирует частоту атомной линии, и она в частотно-фазовом компараторе сравнивается с частотой кварцевого генератора. Компаратор имеет обратную связь с кварцевым генератором для его подстройки, в случае несовпадения частот.
Атомные часы можно построить не на всех атомах. Наиболее оптимальным является атом цезия. Он относится к первичному, по которому сравниваются все другие подходящие материалы, например такие как: стронций, рубидий, кальций. Первичный стандарт является абсолютно подходящим для измерения точного времени, поэтому он и получил название первичный.

Самые точные атомные часы в мире

На сегодняшний день самые точные атомные часы
находятся в Великобритании (официально принятые). Их погрешность составляет всего 1 секунда в 138 миллионов лет. Они являются эталоном для национальных стандартов времени многих стран, в том числе и США, а также определяют международное атомное время. Но в королевстве находятся не самые точные часы на Земле.

самые точные атомные часы фото

В США заявили, что разработали экспериментальный тип точных часов на атомах цезия, их погрешность составила 1 секунда в почти 1,5 миллиарда лет. Наука в этой области не стоит на месте и развивается бурными темпами.

Высокоточные атомные часы, которые совершают ошибку в одну секунду за 300 миллионов лет. Эти часы, заменившие старую модель, которая допускала ошибку в одну секунду за сто миллионов лет, теперь задают стандарт американского гражданского времени. «Лента.ру» решила вспомнить историю создания атомных часов.

Для того чтобы создать часы, достаточно использовать любой периодический процесс. И история появления приборов измерения времени ─ это отчасти история появления либо новых источников энергии, либо новых колебательных систем, используемых в часах. Самыми простыми часами являются, вероятно, солнечные: для их работы необходимо только Солнце и предмет, который отбрасывает тень. Недостатки этого способа определения времени очевидны. Водяные и песочные часы тоже не лучше: они пригодны лишь для измерения сравнительно коротких промежутков времени.

Самые древние механические часы были найдены в 1901 году рядом с островом Антикитера на затонувшем корабле в Эгейском море. Они содержат около 30 бронзовых шестерен в деревянном корпусе размером 33 на 18 на 10 сантиметров и датируются примерно сотым годом до нашей эры.

В течение почти двух тысяч лет механические часы были самыми точными и надежными. Появление в 1657 году классического труда Христиана Гюйгенса «Маятниковые часы» («Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica») с описанием устройства отсчета времени с маятником в качестве колебательной системы, стало, вероятно, апогеем в истории развития механических приборов такого типа.

Однако астрономы и мореплаватели все равно использовали звездное небо и карты для определения своего местоположения и точного времени. Первые же электрические часы изобрел в 1814 году Фрэнсис Роналдс . Однако первый такой прибор был неточным из-за чувствительности к изменениям температуры.

Дальнейшая история часов связана с использованием в устройствах разных колебательных систем. Представленные в 1927 году сотрудниками Лабораторий Белла кварцевые часы использовали пьезоэлектрические свойства кристалла кварца: при воздействии на него электрического тока кристалл начинает сжиматься. Современные кварцевые хронометры могут обеспечить точность до 0,3 секунды в месяц. Однако, поскольку кварц подвержен старению, с течением времени часы начинают идти с меньшей точностью.

С развитием атомной физики ученые предложили использовать в качестве колебательных систем именно частицы вещества. Так появились первые атомные часы. Идею о возможности использования атомных колебаний водорода для измерения времени предложил еще в 1879 году английский физик лорд Кельвин , однако только к середине XX века это стало возможным.

Репродукция картины Губерта фон Геркомера (1907)

В 1930-х годах американский физик и первооткрыватель ядерного магнитного резонанса Исидор Раби начал работать над атомными часами с цезием-133, однако начало войны помешало ему. Уже после войны в 1949 году в Национальном комитете стандартов США с участием Гарольда Лайонсона были созданы первые молекулярные часы, использующие молекулы аммиака. Но первые такие приборы измерения времени не были точными, как современные атомные часы.

Относительно малая точность была связана с тем, что из-за взаимодействия молекул аммиака между собой и со стенками емкости, в которой находилось это вещество, изменялась энергия молекул, и их спектральные линии уширялись. Этот эффект очень похож на трение в механических часах.

Позднее, в 1955 году, Луи Эсссен из Национальной физической лаборатории Великобритании представил первые атомные часы на цезии-133. Эти часы накапливали ошибку в одну секунду за миллион лет. Прибор получил название NBS-1 и стал считаться цезиевым эталоном частоты.

Принципиальная схема атомных часов состоит из кварцевого генератора, контролируемого дискриминатором по схеме обратной связи. В генераторе используются пьезоэлектрические свойства кварца, тогда как в дискриминаторе происходят энергетические колебания атомов, так что колебания кварца отслеживаются сигналами от переходов с разных энергетических уровней в атомах или молекулах. Между генератором и дискриминатором находится компенсатор, настроенный на частоту атомных колебаний и сравнивающий ее с частотой колебаний кристалла.

Атомы, используемые в часах, должны обеспечивать стабильные колебания. Для каждой частоты электромагнитного излучения существуют свои атомы: кальция, стронция, рубидия, цезия, водорода. Или даже молекулы аммиака и йода.

С появлением атомных приборов измерения времени стало возможным использовать их в качестве универсального эталона для определения секунды. С 1884 года Гринвичское время, считавшееся мировым стандартом, уступило место эталону атомных часов. В 1967 году решением 12-й Генеральной конференции мер и весов одну секунду определили как продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Такое определение секунды не зависит от астрономических параметров и может воспроизводиться в любой точке планеты. Цезий-133, используемый в эталоне атомных часов, ─ единственный стабильный изотоп цезия со 100-процентной распространенностью на Земле.

Атомные часы используются и в спутниковой системе навигации; они необходимы для определения точного времени и координат спутника. Так, в каждом спутнике системы GPS установлены по четыре комплекта таких часов: два рубидиевых и два цезиевых, которые обеспечивают точность передачи сигнала в 50 наносекунд. На российских спутниках системы ГЛОНАСС тоже установлены цезиевые и рубидиевые атомные приборы измерения времени, а на спутниках разворачивающейся европейской геопозиционной системы Galileo ─ водородные и рубидиевые.

Точность водородных часов ─ самая высокая. Она составляет 0,45 наносекунды за 12 часов. По всей видимости, использование Galileo таких точных часов выведет эту навигационную систему в лидеры уже в 2015 году, когда на орбите будет 18 ее спутников.

Hewlett-Packard стала первой компанией, которая занялась разработкой компактных атомных часов. В 1964 году ею был создан цезиевый прибор HP 5060A размером с большой чемодан. Компания и дальше развивала это направление, но с 2005 года продала свое подразделение, разрабатывающее атомные часы, компании Symmetricom.

В 2011 году специалисты Лаборатории Дрейпера и Сандийских национальных лабораторий разработали, а компания Symmetricom выпустила первые миниатюрные атомные часы Quantum. На момент выпуска они стоили порядка 15 тысяч долларов, были заключены в герметичный корпус размером 40 на 35 на 11 миллиметров и весили 35 граммов. Потребляемая мощность часов составляла менее 120 милливатт. Первоначально они были разработаны по заказу Пентагона и предназначались для обслуживания навигационных систем, функционирующих независимо от систем GPS, например, глубоко под водой или землей.

Уже в конце 2013 года американская компания Bathys Hawaii представила первые «наручные» атомные часы. В качестве основного компонента в них используется чип SA.45s производства компании Symmetricom. Внутри чипа располагается капсула с цезием-133. В конструкцию часов также входят фотоэлементы и маломощный лазер. Последний обеспечивает нагревание газообразного цезия, в результате чего его атомы начинают переходить с одного энергетического уровня на другой. Измерение времени как раз и производится за счет фиксирования такого перехода. Стоимость нового прибора составляет около 12 тысяч долларов.

Тенденции к миниатюризации, автономности и точности приведут к тому, что уже в недалеком будущем появятся новые устройства с использованием атомных часов во всех сферах человеческой жизни, начиная с космических исследований на орбитальных спутниках и станциях до бытового применениях в комнатных и наручных системах.

Исидор Раби, профессор физики из Колумбийского университета, предложил невиданный доселе проект: часы, работающие по принципу атомного пучка магнитного резонанса. Это произошло в 1945 году, а уже в 1949 Национальное бюро стандартов выпустило первый работающий прототип. В нем считывались колебания молекулы аммиака. Цезий пошел в дело гораздо позже: модель NBS-1 появилась только в 1952 году.

Национальная физическая лаборатория в Англии создала первые часы на основе пучка цезия в 1955 году. Десять с лишним лет спустя, во время Генеральной конференции по мерам и весам были представлены более совершенные часы, также работающие на основе вибраций в атоме цезия. Модель NBS-4 использовалась до 1990 года.

Типы часов

На данный момент существует три типа атомных часов, которые работают примерно по одному и тому же принципу. Цезиевые часы, самые точные, разделяют атом цезия магнитным полем. Самые простые атомные часы, рубидиевые, используют рубидиевый газ, заключенный в стеклянную колбу. И, наконец, водородные атомные часы берут за точку отсчета атомы водорода, закрытые в оболочке из специального материала — он не дает атомам быстро терять энергию.

Который час

В 1999 году Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) предложил еще более совершенную версию атомных часов. Модель NIST-F1 допускает погрешность всего на одну секунду в двадцать миллионов лет.

Самые точные

Но физики из NIST не остановились на достигнутом. Ученые решили разработать новый хронометр, на этот раз на основе атомов стронция. Новые часы работают на 60% предыдущей модели, а это значит, что они теряют одну секунду не за двадцать миллионов лет, а за целых пять миллиардов.

Измерение времени

Международное соглашение определило единственно точную частоту для резонанса частицы цезия. Это 9 192 631 770 герц — при делении выходящего сигнала на это число получается ровно один цикл в секунду.

Архив Статьи

Какие «часовщики» придумали и совершенствовали этот чрезвычайно точный механизм? Есть ли ему замена? Попробуем разобраться.

В 2012 году атомное хронометрирование будет праздновать своё сорокапятилетие. В 1967 году категория времени в Международной системе единиц стала определяться не астрономическими шкалами, а цезиевым стандартом частоты. Именно его в простонародье и именуют атомными часами.

Каков же принцип работы атомных осцилляторов? В качестве источника резонансной частоты эти «устройства» используют квантовые энергетические уровни атомов или молекул. Квантовая механика связывает с системой «атомное ядро — электроны» несколько дискретных энергетических уровней. Электромагнитное поле определённой частоты может спровоцировать переход этой системы с низкого уровня на более высокий. Возможно и обратное явление: атом может перейти с высокого энергетического уровня на более низкий с излучением энергии. И тем и другим явлением можно управлять и фиксировать эти энергетические межуровневые скачки, создав тем самым подобие колебательного контура. Резонансная частота этого контура будет равна разности энергий двух уровней перехода, делённой на постоянную Планка .

Получаемый при этом атомный осциллятор обладает несомненными преимуществами по отношению к своим астрономическим и механическим предшественникам. Резонансная частота всех атомов выбранного для осциллятора вещества будет, в отличие от маятников и пьезокристаллов, одинакова. Кроме того, атомы с течением времени не изнашиваются и не меняют свои свойства. Идеальный вариант для практически вечного и чрезвычайно точного хронометра.

Впервые возможность использования межуровневых энергетических переходов в атомах в качестве стандарта частоты в далёком 1879 году рассмотрел британский физик Уильям Томсон, более известный как лорд Келвин . В качестве источника атомов-резонаторов он предлагал использовать водород. Однако его изыскания носили скорее теоретический характер. Наука того времени ещё не была готова к разработке атомного хронометра.

Потребовалось почти сто лет, чтобы идея лорда Келвина обрела практическое воплощение. Срок немалый, но и задачка была не из лёгких. Превратить атомы в идеальные маятники на практике оказалось труднее, чем в теории. Сложность заключалась в битве с так называемой резонансной шириной — небольшим колебанием частоты поглощения и испускания энергии при переходе атомов с уровня на уровень. Отношение резонансной частоты к резонансной ширине и определяет качество атомного осциллятора. Очевидно, что чем больше значение резонансной ширины, тем ниже качество атомного маятника. К сожалению, повысить резонансную частоту для улучшения качества невозможно. Она постоянна для атомов каждого конкретного вещества. А вот уменьшить резонансную ширину можно путём увеличения времени наблюдения за атомами.

Технически этого можно добиться следующим образом: пусть внешний, например кварцевый, осциллятор периодически генерирует электромагнитное излучение, заставляющее атомы вещества-донора прыгать по энергетическим уровням. При этом задачей настройщика атомного хронографа является максимальное приближение частоты этого кварцевого осциллятора к резонансной частоте межуровневого перехода атомов. Возможным это становится в случае достаточно большого периода наблюдения за колебаниями атомов и создания обратной связи, регулирующей частоту кварца.

Правда, кроме проблемы снижения резонансной ширины в атомном хронографе существует масса других проблем. Это и допплеровский эффект — смещение резонансной частоты вследствие движения атомов, и взаимные столкновения атомов, вызывающие незапланированные энергетические переходы, и даже влияние всепроникающей энергии тёмной материи.

Впервые попытка практической реализации атомных часов была предпринята в тридцатые годы прошлого столетия учёными Колумбийского университета под руководством будущего нобелевского лауреата доктора Айсидора Раби . В качестве вещества — источника атомов-маятников Раби предложил использовать изотоп цезия 133 Cs. К сожалению, работы Раби, очень заинтересовавшие NBS, были прерваны Второй мировой войной.

После её окончания первенство реализации атомного хронографа перешло к сотруднику NBS Гарольду Лайонсу. Его атомный осциллятор работал на аммиаке и давал погрешность, соизмеримую с лучшими образцами кварцевых резонаторов. В 1949 году аммиачные атомные часы были продемонстрированы широкой публике. Несмотря на довольно посредственную точность, в них были реализованы основные принципы будущих поколений атомных хронографов.

Полученный Луи Эссеном прототип цезиевых атомных часов обеспечивал точность 1*10 -9 , обладая при этом шириной резонанса всего в 340 Герц

Чуть позже профессор Гарвардского университета Норман Рэмси усовершенствовал идеи Айсидора Раби, снизив влияние на точность измерений допплеровского эффекта. Он предложил вместо одного длительного высокочастотного импульса, возбуждающего атомы, использовать два коротких, посланных в плечи волновода на некотором расстоянии друг от друга. Это позволило резко снизить резонансную ширину и фактически сделало возможным создание атомных осцилляторов, на порядок превосходящих по точности своих кварцевых предков.

В пятидесятые годы прошлого столетия на основе схемы, предложенной Норманом Рэмси, в Национальной физической лаборатории (Великобритания) её сотрудник Луи Эссен вёл работу над атомным осциллятором на основе предложенного ранее Раби изотопа цезия 133 Cs. Цезий был выбран неслучайно.

Схема сверхтонких уровней перехода атомов изотопа цезия-133

Относясь к группе щелочных металлов, атомы цезия чрезвычайно просто возбуждаются для скачка между энергетическими уровнями . Так, например, пучок света легко способен выбить из атомной структуры цезия поток электронов. Именно благодаря этому свойству цезий широко применяется в составе фотодетекторов.

Устройство классического цезиевого осциллятора на основе волновода Рэмси

Первый официальный цезиевый стандарт частоты NBS-1

Потомок NBS-1 — осциллятор NIST-7 использовал лазерную накачку луча атомов цезия

Чтобы прототип Эссена стал настоящим стандартом, потребовалось более четырёх лет. Ведь точная настройка атомных часов была возможна только путём сравнения с существующими эфемеридными единицами времени. В течение четырёх лет атомный осциллятор калибровался с помощью наблюдений за вращением Луны вокруг Земли с помощью точнейшей лунной камеры, изобретённой сотрудником Военно-морской обсерватории США Уильямом Марковицем.

«Подгонка» атомных часов по лунным эфемеридам велась с 1955 по 1958 год, после чего устройство было официально признано NBS в качестве стандарта частоты. Более того, беспрецедентная точность цезиевых атомных часов сподвигла NBS сменить в стандарте SI единицу измерения времени. С 1958 года в качестве секунды официально была принята «продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующая переходу между двумя сверхтонкими уровнями стандартного состояния атома изотопа цезия-133».

Устройство Луи Эссена получило наименование NBS-1 и стало считаться первым цезиевым стандартом частоты.

За последующие тридцать лет были разработаны шесть модификаций NBS-1, последняя из которых — NIST-7, созданная в 1993 году благодаря замене магнитов на лазерные ловушки, обеспечивает точность 5*10 -15 при резонансной ширине всего шестьдесят два Герца.

Сравнительная таблица характеристик цезиевых стандартов частоты, используемых NBS

Устройства NBS являются стационарными стендами, что позволяет отнести их скорее к эталонам, чем к практически используемым осцилляторам. А вот для сугубо практических целей на благо цезиевого стандарта частоты поработала компания Hewlett-Packard. В 1964 году будущий компьютерный гигант создал компактный вариант цезиевого стандарта частоты — устройство HP 5060A.

Откалиброванные с использованием эталонов NBS, частотные стандарты HP 5060 умещались в типовую стойку радиооборудования и имели коммерческий успех. Именно благодаря цезиевому стандарту частоты, заданному в Hewlett-Packard, беспрецедентная точность атомных часов пошла в широкие массы.

Hewlett-Packard 5060A.

В результате стали возможны такие вещи, как спутниковое телевидение и связь, глобальные системы навигации и службы синхронизации времени информационных сетей. Применений доведённой до промышленного образца технологии атомного хронографа нашлось много. При этом в Hewlett-Packard не останавливались на достигнутом и постоянно улучшают качество цезиевых стандартов и их массо-габаритные показатели .

Семейство атомных часов компании Hewlett-Packard

В 2005 году подразделение Hewlett-Packard, отвечающее за разработку атомных часов, было продано компании Simmetricom .

Наряду с цезием, запасы которого в природе весьма ограничены, а спрос на него в самых разных технологических областях чрезвычайно велик, в качестве вещества-донора использовался рубидий, по свойствам очень близкий к цезию.

Казалось бы, существующая схема атомных часов доведена до совершенства. Между тем она имела досадный недостаток, устранение которого стало возможным во втором поколении цезиевых стандартов частоты, именуемых цезиевыми фонтанами.

Фонтаны времени и оптическая патока

Несмотря на высочайшую точность атомного хронометра NIST-7, использующего лазерное детектирование состояния атомов цезия, его схема принципиально не отличается от схем первых вариантов цезиевых стандартов частоты.

А конструктивным недостатком всех этих схем является то, что контролировать скорость распространения луча из атомов цезия, двигающихся в волноводе, принципиально невозможно. И это при том, что скорость движения атомов цезия при комнатной температуре — сто метров в секунду. Весьма быстро.

Именно поэтому все модификации цезиевых стандартов — это поиск баланса между размерами волновода, успевающего воздействовать на быстрые атомы цезия в двух точках, и точностью детектирования результатов этого воздействия. Чем меньше волновод, тем труднее успеть сделать последовательные электромагнитные импульсы, воздействующие на одни и те же атомы.

А что если найти способ снизить скорость движения атомов цезия? Именно этой мыслью озаботился студент Масачуссетского технологического института Джеролд Захариус , изучавший в конце сороковых годов прошлого столетия влияние силы тяжести на поведение атомов. Позднее, привлечённый к разработке варианта цезиевого стандарта частоты Atomichron , Захариус предложил идею цезиевого фонтана — способа, позволяющего снизить скорость движения атомов цезия до одного сантиметра в секунду и избавиться от двухколенного волновода традиционных атомных осцилляторов.

Идея Захариуса была проста. Что если запускать атомы цезия внутри осциллятора вертикально? Тогда одни и те же атомы будут дважды проходить через детектор: первый раз при путешествии вверх, а второй — вниз, куда они устремятся под действием силы тяжести. При этом движение атомов вниз будет существенно медленнее их взлёта, ведь за время путешествия в фонтане они подрастеряют энергию. К сожалению, в пятидесятые годы прошлого столетия реализовать свои идеи Захариус не смог. В его экспериментальных установках атомы, двигавшиеся вверх, взаимодействовали с падающими вниз, что сбивало точность детектирования.

К идее Захариуса вернулись только в восьмидесятые годы. Учёные Стенфордского университета под руководством Стивена Чу нашли способ реализации фонтана Захариуса с использованием метода, названного ими «оптическая патока».

В цезиевом фонтане Чу облако атомов цезия, выстреливаемых вверх, предварительно охлаждается системой из трёх пар противоположно направленных лазеров, имеющих резонансную частоту чуть ниже оптического резонанса атомов цезия.

Схема цезиевого фонтана с оптической патокой.

Охлаждённые лазерами атомы цезия начинают двигаться медленно, словно сквозь патоку. Их скорость падает до трёх метров в секунду. Уменьшение скорости атомов даёт исследователям возможность более точного детектирования состояния (согласитесь, значительно проще рассмотреть номера машины, двигающейся со скоростью один километр в час, чем машины, двигающейся со скоростью сто километров в час).

Шар из охлаждённых атомов цезия запускается вверх примерно на метр, по пути проходя волновод, через который на атомы воздействует электромагнитное поле резонансной частоты. И детектор системы фиксирует изменение состояния атомов в первый раз. Достигнув «потолка», охлаждённые атомы начинают падать благодаря силе тяжести и проходят волновод во второй раз. На обратном пути детектор снова фиксирует их состояние. Поскольку атомы двигаются чрезвычайно медленно, их полёт в виде достаточно плотного облака легко контролировать, а значит, в фонтане не будет одновременно летящих вверх и вниз атомов.

Установка Чу на основе цезиевого фонтана была принята NBS в качестве стандарта частоты в 1998 году и получила название NIST-F1. Её погрешность составляла 4*10 -16 , а значит, NIST-F1 была точнее предшественника NIST-7.

Фактически в NIST-F1 был достигнут предел точности измерений состояния атомов цезия. Но учёные на этой победе не остановились. Они решили устранить погрешность, которую вносит в работу атомных часов излучение абсолютно чёрного тела — результат взаимодействия атомов цезия с тепловым излучением корпуса установки, в которой они двигаются. В новом атомном хронографе NIST-F2 цезиевый фонтан размещался в криогенной камере, сводя излучение абсолютно чёрного тела практически к нулю. Погрешность NIST-F2 равна невероятной величине 3*10 -17 .

График уменьшения погрешности вариантов цезиевых стандартов частоты

В настоящее время атомные часты на основе цезиевых фонтанов дают человечеству точнейший эталон времени, относительно которого бьётся пульс нашей техногенной цивилизации. Благодаря инженерным ухищрениям импульсные водородные мазеры, которые охлаждают атомы цезия в стационарных вариантах NIST-F1 и NIST-F2, были заменены на обычный лазерный луч, работающий в паре с магнитооптической системой. Это позволило создать компактные и очень устойчивые ко внешним воздействиям варианты стандартов NIST-Fx, способные трудиться в космических аппаратах. Весьма образно названные «Aerospace Cold Atom Clock «, эти стандарты частоты установлены в спутниках таких навигационных систем, как GPS, что и обеспечивает их потрясающую синхронизацию для решения задачи очень точного вычисления координат приёмников GPS, используемых в наших гаджетах.

Компактный вариант атомных часов на основе цезиевого фонтана, называемый «Aerospace Cold Atom Clock», используется в спутниках системы GPS

Вычисление эталонного времени выполняется «ансамблем» из десяти NIST-F2, расположенных в различных исследовательских центрах, сотрудничающих с NBS. Точное значение атомной секунды получается коллегиально, и тем самым устраняются различные погрешности и влияние человеческого фактора.

Однако не исключено, что однажды цезиевый стандарт частоты будет восприниматься нашими потомками как весьма грубый механизм измерения времени, подобно тому, как ныне мы снисходительно смотрим на движения маятника в механических напольных часах наших предков.

Время, несмотря на то что ученые до сих пор не могут окончательно разгадать его подлинную сущность, все же имеет свои единицы измерения, установленные человечеством. И прибор для вычисления, именуемый часами. Каковы их разновидности, какие самые точные часы в мире? Об этом пойдет речь в нашем сегодняшнем материале.

Какие самые точные часы в мире?

Ими принято считать атомные — они обладают мизерно маленькими погрешностями, которые могут достигать лишь секунды на миллиард лет. 2-й, не менее почетный, пьедестал выигрывают Они за месяц отстают или спешат вперед только на 10-15 секунд. А вот механические не самые точные часы в мире. Их нужно все время заводить и подводить, и здесь погрешности уже совсем другого порядка.

Самые точные атомные часы в мире

Как уже было сказано, атомные приборы для качественного измерения времени настолько скрупулезны, что данные ими погрешности можно сравнивать с измерениями диаметра нашей планеты в точности до каждой микрочастицы. Бесспорно, среднестатистическому обывателю в повседневном существовании такие точные механизмы и вовсе не нужны. Такими пользуются исследователи от науки для проведения различных экспериментов, где требуется предельный расчет. Они предоставляют возможности людям проверить «времени ход» в различных областях земного шара или же провести опыты, подтверждающие собой общую теорию относительности, а также другие физические теории и гипотезы.

Парижский эталон

Какие самые точные часы в мире? Принято считать ими Парижские, принадлежащие Институту времени. Данный прибор — так называемый эталон времени, по нему сверяются люди во всем мире. Кстати, на деле он не совсем похож на «ходики» в традиционном понимании этого слова, а напоминает точнейший прибор сложнейшей конструкции, где в основе лежит квантовый принцип, а главная идея — исчисление пространства-времени при помощи колебаний частиц с погрешностями, равными всего 1 секунде на 1000 лет.

Еще точнее

Какие часы самые точные в мире сегодня? В нынешних реалиях ученые изобрели прибор, который в 100 тысяч раз точнее парижского эталона. Его погрешность — одна секунда на 3,7 миллиарда лет! За произведение данной техники ответственна группа физиков из США. Она является уже второй версией приборов для времени, построенных на квантовой логике, где обработка информации осуществляется по методу, аналогичному, к примеру,

Помощь в исследованиях

Новейшие квантовые приборы не только устанавливают другие стандарты в измерении такой величины, как время, но и помогают исследователям многих стран разрешить некоторые вопросы, что связаны с такими физическими постоянными, как скорость светового луча в вакууме или же постоянная Планка. Возрастающая точность измерений благоприятна для ученых, они надеются выследить замедления времени, оказываемые гравитацией. А одна из технологических компаний в США планирует запустить даже серийные квантовые часы для повседневного пользования. Правда, насколько высока будет их первичная стоимость?

Принцип действия

Атомные часы принято называть также квантовыми, ведь они функционируют на базе процессов, что происходят на молекулярных уровнях. Для создания высокоточных приборов берутся не всякие атомы: обычно характерно использование кальция и йода, цезия и рубидия, а еще молекул водорода. На данный момент наиболее точные механизмы исчисления времени на основе иттиберия, их произвели американцы. В труде оборудования задействовано свыше 10 тысяч атомов, это и обеспечивает отменную точность. К слову сказать, предшественники-рекордсмены имели погрешность в секунду «всего» на 100 миллионов, что, согласитесь, также немалый срок.

Точные кварцевые…

При выборе бытовых «ходиков» для использования повседневно, конечно же, атомные приборы не должны приниматься во внимание. Из бытовых сегодня самые точные часы в мире — кварцевые, которые к тому же имеют ряд преимуществ в сравнении с механическими: не требуют завода, работают при помощи кристаллов. Их погрешности хода в среднем составляют 15 секунд за месяц (механические обычно могут отставать на такое количество времени за сутки). А самые точные наручные часы в мире из всех кварцевых, по мнению многих экспертов, фирмы Citizen — «Хрономастер». Они в год могут иметь погрешность всего 5 секунд. По стоимости они довольно дорогие — в пределах 4 тыс. евро. На второй ступеньке воображаемого пьедестала Longines (10 секунд за год). Они уже стоят намного дешевле — около 1000 евро.

…и механические

Большинство механических приборов для как правило, не отличаются особой точностью. Однако одно из устройств все же может похвастаться. Часы, изготовленные в 20-м столетии для имеют огромный механизм в 14 тысяч элементов. Благодаря сложной конструкции, а также довольно медленному функционалу их погрешности в измерениях — секунда на каждые 600 лет.

Атомные часы. История лазера

Атомные часы

Как мы уже говорили, в 1949 г. Н. Рамси изобрел резонансную методику с разнесенными осциллирующими полями, которая в 1955 г. была использована Дж. Захариасом, Дж. Пари, Луисом Эссеном и др. для создания атомных часов и стандартов частоты. За этот метод Рамси в 1989 г. получил Нобелевскую премию по физике вместе с Г. Демельтом и В. Полем, которые разработали изощренную методику для изучения одиночных атомов и молекул.

Проблема измерения времени всегда была важной и трудной. Вначале она была связана с вращением Земли вокруг своей оси, которое, как полагали, происходит с высокой регулярностью. Увеличение точности маятника, введенное Гюйгенсом и астрономическими наблюдениями, побудило во времена Ньютона, Джона Фламстида, первого Королевского Астронома в Гринвиче, проверить регулярность вращения Земли, используя маятниковые часы. Он не нашел каких-либо доказательств несовершенства в этой регулярности, но последующие поколения астрономов собрали все увеличивающийся список нерегулярности продолжительности суток.

В начале 20 столетия, например, благодаря астрономическим наблюдениям было определенно установлено, что вращение Земли замедляется из-за приливного трения. К середине 1930-х гг. часы были улучшены благодаря появлению кварцевых часов. Это позволило измерить нерегулярности вращения (рис. 39). В кварцевых часах колебания кристалла кварца создают электрические колебания с постоянной частотой, с помощью которой и измеряют время. Кварцевые часы можно откалибровать по астрономическим наблюдениям, а затем использовать их в лаборатории. Лучшие из них могут работать в течение года, накапливая ошибку в 5 миллисекунд. Эта точность, тем не менее, недостаточна для современных научных и технологических целей.

Рис. 39. Изменение продолжительности дня за период четыре года. Отметьте, что шкала по ординате только 3 мс = 0,003 с

Как только были обнаружены нерегулярности вращения Земли, стало необходимым найти другой способ определить стандарт единицы времени.

Эта единица, секунда, определялась как 86400-я часть средних солнечных суток, получаемых астрономами, рассматривающих замкнутое движение Земли по орбите вокруг Солнца (эфемиридное время). За образец принималась средняя продолжительность 1900 г. Эта единица измерений времени была принята Генеральной Ассамблеей Мер и Весов в 1960 г. (одна секунда определялась как 1/31 556 925, 9747 часть 1900-го года).

Однако требования на стабильность маятниковых и кварцевых часов не могли быть удовлетворены в отношении наиболее важного критерия, а именно, — независимая воспроизводимость.

Развитие атомной теории и, в частности, заключение, что атомы данного химического элемента все одинаковы, позволяло принять за основу единицу измерения, связанную не с Землей, но с самим атомом. Уже Максвелл и лорд Кельвин предложили использовать в качестве единицы измерения длины и времени длину волны и соответственно частоту излучения, испускаемого подходящим атомом. Например, водорода, в простейшем случае, или D-линию натрия, которая очень интенсивна. Однако потребовалось много лет, прежде чем эта идея нашла практическое воплощение. Сразу же после Второй мировой войны Ч. Таунс из Bell Labs и Р. Паунд из MIT предложили использовать микроволновое поглощение для стабилизации генератора.

Рассматривая генератор микроволн, мы видим, что по многим причинам его частота не остается строго стабильной во времени, но испытывает малые случайные изменения. Поэтому имеется проблема найти пути поддерживать ее стабильной. Решение, предложенное Таунсом и Паундом, заключалось в том, чтобы использовать молекулу аммиака, которая имеет максимум в зависимости поглощения от частоты точно на частоте 23,8 ГГЦ, причем эта частота не изменяется во времени. Принцип очень прост. Рассмотрим его для специфического случая аммиака. Предположим, что мы направляем микроволновое излучение, частоту которого мы можем изменять вблизи частоты 24 ГГц, в кювету, наполненную аммиаком, и измеряем мощность на выходе. Изменяя частоту, мы обнаруживаем максимум поглощения как раз на центральной частоте линии аммиака (23,8 ГГц). Когда поглощение максимально, мы знаем, что частота микроволн, которые мы посылаем в кювету, как раз и равна этому значению. Таким образом, достигается стабильность. Мы можем зафиксировать параметры генератора так, чтобы он генерировал точно на этой частоте. Если по какой-либо причине частота генератора изменится, то уменьшится и поглощение (т.е. увеличится мощность на выходе), и с помощью подходящей системы обратной связи мы можем подстроить частоту генератора так, чтобы получить снова частоту максимума поглощения. Этот метод позволяет контролировать и фиксировать микроволновую частоту в течение продолжительного времени, используя линии поглощения молекул.

В период 1947-1948 гг. Таунс и его коллеги построили и запатентовали устройства стабилизации генератора на клистроне, используя аммиак. Но для того, чтобы построить часы, нужно было поделить высокую частоту на фактор порядка тысячи, чтобы перенести стабильную частоту в область мегагерц, где новые часы можно было бы сравнить с уже существующими часами.

По настоянию Таунса, Гарольд Лионе (1913—1991), ответственный за подразделение по микроволновым стандартам в Американском Бюро Стандартов, в августе 1948 г. построил стандарт частоты с использованием аммиака. В 1952 г. его группа добилась стабильности одной или двух частей на сто миллионов. Это, однако, не на много превышало стабильность вращения Земли. Значительные усилия К. Шимода из Токийского университета привели к улучшению стабильности до одной части на 109.

Уже в 1948 г., когда Лионе уже построил свой первый стандарт с использованием аммиака, он начал программу создания настоящих атомных часов, основанных на атомных переходах, которые получили название «атомных часов». Поскольку он не был экспертом в спектроскопии, то попросил содействия у Исидора Раби и «правая рука» Раби, Поликарп Куш, разработал концептуальную конструкцию, в которой использовался пучок атомов цезия. Цезий уже был всесторонне изучен группой Раби, и по ряду причин ожидалась высокая стабильность.

Поликарп Куш (1911 — 1993) был очень способным экспериментатором. После получения докторской степени по молекулярной оптической спектроскопии в 1936 г. поступил в Колумбийский университет, где вместе с Раби участвовал в пионерских исследованиях метода магнитного резонанса в молекулярных пучках. С помощью этой методики он провел ряд исследований, которые привели к открытию в 1947 г. аномального магнитного момента электрона. За это он был награжден в 1955 г. вместе с Виллисом Е. Лэмбом Нобелевской премией по физике. Во время Второй мировой войны разрабатывал высокочастотные генераторы для радаров. Его лекции, которые он читал звучным голосом (известным как «шепот Куша»), носили характер проповеди, черта, которую он, вероятно, унаследовал от отца — лютеранского миссионера.

Летом 1951 г. аппаратура заработала, хотя и не в окончательном виде. Куш фактически пытался использовать методику Рамси двух полей для точной настройки микроволнового поля. Это был первый эксперимент, в котором использовалась эта методика. Весной 1952 г. заработала вся установка, и концу года была измерена частота перехода изотопа цезия с массой 133 (было найдено, что именно он самый стабильный по своей природе), для которой было установлено значение 9,192 631 800 ГГц.

Эти положительные результаты также стимулировали Британскую Национальную Физическую Лабораторию построить свою версию этого устройства, основанного на той же методике Рамси. Путем сравнения их измерений с точными астрономическими измерениями в Гринвиче, Луис Эссен и Дж. Пэрри установили более точно частоту излучения, как 9,192 631 770 ГГц. Эта частота была принята в 1964 г. Генеральной Ассамблеей Мер и Весов для официального определения секунды (т.е. секунда определяется как 9 192 631 770 периодов колебаний перехода в атоме цезия). Это определение делает атомное время согласованным с секундой на основе эфемеридного времени.

Все эти устройства еще не были настоящими часами, в том смысле, что они не давали прямого соответствия с более низкими частотами, которые нужно использовать, чтобы подсчитать секунды. Окончательный шаг был сделан в Лаборатории радиации MIT Дж. Р. Захариасом (1905—1986), который в 1955 г. успешно построил коммерческую версию атомных часов с использованием цезия, которая получила название «атомохрон».

В 1967 г. международный стандарт секунды был определен на основе перехода между уровнями сверхтонкой структуры атома цезия.

В 1990-х гг. были достигнуты несомненные успехи в стабильности и точности атомных часов, благодаря разработке методов захвата и охлаждения атомов с помощью лазеров. Сложные геометрии позволили построить то, что стали называть фонтанными часами. Продолжительность взаимодействия атом—волна в атомных часах конечно, и это уширяет пик резонанса в результате принципа неопределенности Гейзенберга по отношению к время—энергия. Другие эффекты также ограничивают точность этих часов. С помощью лазеров атомы можно теперь относительно легко охлаждать до 1 мкК. При таких температурах тепловая скорость атомов составляет только несколько миллиметров в секунду вместо 100 м/с, которую они имеют при комнатной температуре.

В т.н. фонтане атомы подбрасываются вертикально вверх под действием лазеров, а затем под действием тяжести падают вниз, подобно воде в фонтане. Система устроена так, что атомы взаимодействуют с электромагнитным полем и когда они летят вверх, и когда они опускаются вниз. Тем самым увеличивается время взаимодействия. При высоте в 1 м время взаимодействия струе атомов фонтана достигает 1 с.

В 1989 г. Стивен Чу и Курт Гибл в Стэнфордском университете (США) продемонстрировали первый фонтан с использованием охлажденных атомов натрия. Затем, в 1991 г. Клод Коен-Тануджи и Кристоф Саломон из Ecole Normale Superieure (Париж) вместе с Андре Клероном из Парижской Обсерватории использовали цезий. В результате в 1993 г. Клерон построил первый фонтан охлажденных атомов, с помощью которого в 1995 г. была достигнута точность менее 1 с за 30 миллионов лет (огромное достижение).

Необходимость в столь точных часах возникает, например, в радиоастрономии, или для проверки теории относительности Эйнштейна. Пожалуй, наиболее значительным применением атомных часов является система глобального определения координат (GPS) с помощью спутников. Она нужна для навигации и различных систем мониторинга. Используется набор 24 спутников на геостационарных орбитах. Для точного определения их положения используются сигналы с точной привязкой во времени. Тогда положение человека, имеющего приемник, определяется по разности времени, которое требуется для прохождения сигналов от спутников до приемника. В настоящее время эта система обеспечивает точность определения координат до долей метра, что требует определения временных интервалов до долей наносекунд (1 нс = 10^—9 с).

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЕ ЧАСЫ*

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЕ ЧАСЫ*
Если тонкий, легко вращающийся и хорошо сбалансированный диск или цилиндр поместить в соответствующий гальванический раствор посредине между анодом и катодом, то одна половина диска станет электрически положительной, а другая половина —

Глава пятая ЧАСЫ И ЛИНЕЙКИ КАПРИЗНИЧАЮТ

Глава пятая
ЧАСЫ И ЛИНЕЙКИ КАПРИЗНИЧАЮТ
Снова садимся в поезд
Перед нами очень длинная железная дорога, по которой движется поезд Эйнштейна. На расстоянии 864 000 000 километров друг от друга находятся две станции. При скорости 240 000 километров в секунду поезду Эйнштейна

Часы систематически отстают

Часы систематически отстают
Итак, в то время как на станции прошло 10 секунд, в поезде — всего лишь 6 секунд. Значит, если по станционному времени поезд пришел через час после своего отправления, то по часам пассажира пройдет всего 60 X (6 / 10) = 36 минут. Другими словами, часы

Измерение времени ночью. Деканы. Звездные часы

Измерение времени ночью. Деканы. Звездные часы
Важной проблемой, связанной с необходимостью определять время ночных служб в храмах, было измерение времени ночью. Из ритуальных календарей Позднего периода известно, что некоторые праздники в египетских храмах отмечались

Часы Рамессидов.

Часы Рамессидов.
В середине II тыс. до н. э. появился новый метод определения ночного времени по моментам прохождений особых часовых звезд через меридиан и прилегающие к нему вертикалы. Его датировка, произведенная на основании данных о гелиакическом восходе Сотис, дает

Водяные и солнечные часы

Водяные и солнечные часы
Водяные часы. Самые древние египетские водяные часы (клепсидры) обнаружены в Карнаке и датируются эпохой Аменхотепа III (XIV в. до н. э.), но восходят к более раннему времени, так как зафиксированное на них отношение «самая короткая ночь — месяц

Атомные спектры и электронные слои

Атомные спектры и электронные слои
Физики собрали в спектроскопических лабораториях все известные элементы. Они бомбардировали атомы различных элементов быстрыми электронами, отщепляли от атомов то один, то два, то несколько электронов, действовали на атомы сильными

Атомные часы

Атомные часы
Как мы уже говорили, в 1949 г. Н. Рамси изобрел резонансную методику с разнесенными осциллирующими полями, которая в 1955 г. была использована Дж. Захариасом, Дж. Пари, Луисом Эссеном и др. для создания атомных часов и стандартов частоты. За этот метод Рамси в 1989 г.

Часы раздора

Часы раздора
Наш следующий герой — Христиан Гюйгенс[23] — был непосредственным преемником Галилея в науке. По словам Лагранжа, Гюйгенсу «было суждено усовершенствовать и развить важнейшие открытия Галилея».Христиан Гюйгенс фон Цюйлихен (1629–1695), сын голландского

атомных часов

атомных часов

Сверхточные атомные часы готовы к новым открытиям в физике

16 февраля 2022 г.
Сара Пердью

Одним из первых шагов в создании оптических атомных часов, используемых в этом исследовании, является охлаждение атомов стронция почти до абсолютного нуля в вакуумной камере, благодаря чему они выглядят как светящийся голубой шар, плавающий в камере. Изображение предоставлено Шимоном Колковицем

Физики из Университета Висконсин-Мэдисон создали одни из самых эффективных атомных часов, как они объявили 16 февраля в журнале Nature.

Их прибор, известный как атомные часы на оптической решетке, может измерять разницу во времени с точностью, эквивалентной потере всего одной секунды каждые 300 миллиардов лет, и является первым примером «мультиплексированных» оптических часов, в которых могут существовать шесть отдельных часов. в той же среде. Его конструкция позволяет команде тестировать способы поиска гравитационных волн, пытаться обнаружить темную материю и открывать новую физику с помощью часов.

Shimon Kolkowitz

«Часы на оптической решетке уже являются лучшими часами в мире, и здесь мы получаем такой уровень производительности, которого никто раньше не видел», — говорит Шимон Колковиц, профессор физики UW-Madison и старший автор исследования. исследование. «Мы работаем как над улучшением их производительности, так и над разработкой новых приложений, которые станут возможными благодаря этой улучшенной производительности».

Атомные часы настолько точны, потому что они используют фундаментальное свойство атомов: когда электрон меняет энергетический уровень, он поглощает или излучает свет с частотой, одинаковой для всех атомов определенного элемента. Оптические атомные часы отсчитывают время с помощью лазера, точно настроенного на эту частоту, и для точного отсчета времени им требуются одни из самых сложных в мире лазеров.

Для сравнения, у группы Колковица был «относительно паршивый лазер», говорит он, поэтому они знали, что любые построенные ими часы сами по себе не будут самыми точными. Но они также знали, что для многих последующих применений оптических часов потребуются портативные коммерчески доступные лазеры, подобные их. Разработка часов, которые могли бы использовать обычные лазеры, была бы благом.

Из одной сферы переохлажденных атомов стронция группа Колковица мультиплексирует их в шесть отдельных сфер, каждую из которых можно использовать как атомные часы. Изображение предоставлено Шимоном Колковицем

В своем новом исследовании они создали мультиплексированные часы, в которых атомы стронция можно разделить на несколько часов, расположенных в одну линию в одной вакуумной камере. Используя только одни атомные часы, команда обнаружила, что их лазер надежно возбуждает электроны в том же количестве атомов только в течение одной десятой секунды.

Однако, когда они одновременно посветили лазером на двое часов в камере и сравнили их, количество атомов с возбужденными электронами оставалось одинаковым между двумя часами до 26 секунд. Их результаты означали, что они могли проводить значимые эксперименты гораздо дольше, чем позволял их лазер в обычных оптических часах.

«Обычно наш лазер ограничивал бы производительность этих часов», — говорит Колковиц. «Но поскольку часы находятся в одной и той же среде и испытывают точно такой же лазерный свет, эффект лазера полностью исчезает».

Затем группа спросила, как точно они могут измерить разницу между часами. Две группы атомов, находящихся в немного разных средах, будут двигаться с несколько разной скоростью в зависимости от гравитации, магнитных полей или других условий.

Они провели свой эксперимент более тысячи раз, измерив разницу в частоте хода своих двух часов в общей сложности около трех часов. Как и ожидалось, поскольку часы находились в двух немного разных местах, их тиканье немного отличалось. Команда продемонстрировала, что по мере того, как они проводили все больше и больше измерений, им удавалось лучше измерять эти различия.

В конце концов, исследователи смогли обнаружить разницу в скорости хода двух часов, которая соответствовала бы их расхождению всего на одну секунду каждые 300 миллиардов лет — измерение точности хронометража, которое устанавливает мировой рекорд для двух пространственно разнесенных часов. .

Это также было бы мировым рекордом по самой точной разнице частот, если бы не другая статья, опубликованная в том же номере журнала Nature. Это исследование было проведено группой из JILA, исследовательского института в Колорадо. Группа JILA обнаружила разницу частот между верхом и низом рассеянного облака атомов примерно в 10 раз лучше, чем группа UW-Madison.

Их результаты, полученные на расстоянии одного миллиметра, также представляют кратчайшее расстояние на сегодняшний день, на котором общая теория относительности Эйнштейна была проверена с помощью часов. Группа Колковица планирует вскоре провести аналогичный тест.

«Удивительно то, что мы продемонстрировали такую ​​же производительность, как и группа JILA, несмотря на то, что мы используем лазер на несколько порядков хуже», — говорит Колковиц. «Это действительно важно для многих реальных приложений, где наш лазер выглядит намного больше, чем то, что вы использовали бы в полевых условиях».

Чтобы продемонстрировать потенциальное применение своих часов, команда Колковица сравнила изменения частоты между каждой парой из шести мультиплексированных часов в цикле. Они обнаружили, что разница в сумме равна нулю, когда они возвращаются к первым часам в цикле, подтверждая согласованность их измерений и устанавливая возможность обнаружения крошечных изменений частоты в этой сети.

«Представьте, что облако темной материи проходит через сеть часов — есть ли способы увидеть эту темную материю в этих сравнениях?» — спрашивает Колковиц. «Это эксперимент, который мы можем провести сейчас, и который вы просто не могли провести ни в одной из предыдущих экспериментальных систем».

Эта работа была частично поддержана программой грантов NIST Precision Measurements Grants, Центром фундаментальной физики Северо-Западного университета и Фондом Джона Темплтона через грант фундаментальной физики, Исследовательским фондом выпускников Висконсина, Исследовательским бюро армии (W911NF-21-1-0012) и стипендию Packard в области науки и техники.

Оптические атомные часы готовы переопределить время

Итак, куда мы обратимся для будущего масштабирования? Мы продолжим смотреть в третье измерение. Мы создали экспериментальные устройства, которые накладываются друг на друга, обеспечивая логику, которая на 30–50 процентов меньше. Важно отметить, что верхнее и нижнее устройства относятся к двум взаимодополняющим типам, NMOS и PMOS, которые являются основой всех логических схем последних нескольких десятилетий. Мы считаем, что этот трехмерный комплементарный металл-оксидный полупроводник (CMOS) или CFET (комплементарный полевой транзистор) станет ключом к распространению закона Мура на следующее десятилетие.

Эволюция транзистора

Непрерывные инновации являются важной основой закона Мура , но каждое улучшение требует компромиссов. Чтобы понять эти компромиссы и то, как они неизбежно ведут нас к CMOS с трехмерным стеком, вам нужно немного узнать о работе транзисторов.

Каждый полевой транзистор металл-оксид-полупроводник, или МОП-транзистор, имеет одинаковый набор основных частей: блок затвора, область канала, исток и сток. Исток и сток химически легированы, чтобы сделать их либо богатыми мобильными электронами (
n -типа) или с их недостатком ( p -типа). Канальная область имеет противоположное легирование истока и стока.

В планарной версии, использовавшейся в усовершенствованных микропроцессорах до 2011 года, стопка затворов MOSFET расположена чуть выше области канала и предназначена для проецирования электрического поля в область канала. Приложение достаточно большого напряжения к затвору (относительно истока) создает слой подвижных носителей заряда в области канала, который позволяет току течь между истоком и стоком.

По мере того, как мы уменьшали классические планарные транзисторы, основное внимание уделялось тому, что физики называют короткоканальными эффектами. По сути, расстояние между истоком и стоком стало настолько малым, что ток стал просачиваться через канал, когда этого не следовало делать, потому что электрод затвора изо всех сил пытался истощить канал носителей заряда. Чтобы решить эту проблему, промышленность перешла на совершенно другую архитектуру транзисторов, называемую
ФинФЕТ. Он обернул ворота вокруг канала с трех сторон, чтобы обеспечить лучший электростатический контроль.

Transistor Evolution

В 2011 году Intel представила свои FinFET-транзисторы на 22-нанометровом узле с процессором Core третьего поколения, и с тех пор архитектура устройства является рабочей лошадкой закона Мура. С FinFET мы можем работать при более низком напряжении и при этом иметь меньшую утечку, снижая энергопотребление примерно на 50 процентов при том же уровне производительности, что и планарная архитектура предыдущего поколения. FinFET также переключаются быстрее, повышая производительность на 37 процентов. А поскольку проводимость возникает на обеих вертикальных сторонах «ребра», устройство может пропускать больший ток через заданный участок кремния, чем плоское устройство, которое проводит только по одной поверхности.

Однако мы кое-что потеряли при переходе на FinFET. В планарных устройствах ширина транзистора определялась литографией, поэтому это очень гибкий параметр. Но в FinFET ширина транзистора представлена ​​в виде дискретных приращений — добавления одного плавника за раз — характеристика, которую часто называют квантованием плавников. Каким бы гибким ни был FinFET, квантование ребер остается существенным конструктивным ограничением. Правила проектирования вокруг него и желание добавить больше ребер для повышения производительности увеличивают общую площадь логических ячеек и усложняют стек межсоединений, которые превращают отдельные транзисторы в полные логические схемы. Это также увеличивает емкость транзистора, тем самым снижая его скорость переключения. Таким образом, хотя FinFET хорошо послужил нам рабочей лошадкой отрасли, необходим новый, более совершенный подход. И именно этот подход привел нас к 3D-транзисторам, которые мы вскоре представим.

В ленточном полевом транзисторе затвор наматывается вокруг области канала транзистора для улучшения контроля над носителями заряда. Новая структура также обеспечивает более высокую производительность и более точную оптимизацию. Эмили Купер

Это усовершенствование, RibbonFET, является нашей первой новой архитектурой транзисторов с момента дебюта FinFET 11 лет назад. В нем затвор полностью окружает канал, обеспечивая еще более жесткий контроль над носителями заряда внутри каналов, которые теперь образованы лентами кремния нанометрового размера. С помощью этих нанолент (также называемых
нанолистов), мы снова можем изменять ширину транзистора по мере необходимости, используя литографию.

Удалив ограничение квантования, мы можем создать ширину подходящего размера для приложения. Это позволяет нам сбалансировать мощность, производительность и стоимость. Более того, когда ленты уложены друг на друга и работают параллельно, устройство может потреблять больше тока, повышая производительность без увеличения площади устройства.

Мы рассматриваем RibbonFET как лучший вариант для более высокой производительности при разумной мощности, и мы представим их в 2024 году вместе с другими инновациями, такими как PowerVia, наша версия
подача питания на задней стороне с использованием процесса изготовления Intel 20A.

Stacked CMOS

Общее у планарных, FinFET и ленточных транзисторов заключается в том, что все они используют технологию CMOS, которая, как уже упоминалось, состоит из n -типа (NMOS) и p -типа ( PMOS) транзисторы. Логика КМОП стала основной в 1980-х годах, потому что она потребляет значительно меньше тока, чем альтернативные технологии, особенно схемы только NMOS. Меньший ток также привел к более высоким рабочим частотам и более высокой плотности транзисторов.

На сегодняшний день во всех КМОП-технологиях стандартная пара транзисторов NMOS и PMOS размещается рядом друг с другом. Но в
На конференции IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) в 2019 году мы представили концепцию трехмерного многослойного транзистора, в котором NMOS-транзистор размещается поверх PMOS-транзистора. В следующем году, на выставке IEDM 2020, мы представили проект первой логической схемы с использованием этой трехмерной техники — инвертора. В сочетании с соответствующими межсоединениями подход CMOS с 3D-стеками эффективно сокращает площадь инвертора вдвое, удваивая плотность площади и еще больше расширяя пределы закона Мура.

..»> CMOS с трехмерным стеком размещает PMOS-устройство поверх NMOS-устройства на той же площади, что и один RibbonFET. В затворах NMOS и PMOS используются разные металлы. Эмили Купер

Использование потенциальных преимуществ 3D-стекинга означает решение ряда проблем интеграции процессов, некоторые из которых расширят границы производства КМОП.

Мы построили трехмерный КМОП-инвертор, используя так называемый процесс самовыравнивания, при котором оба транзистора изготавливаются на одном производственном этапе. Это означает построение обоих
9Истоки и стоки типа 0196 n и p путем эпитаксии — осаждения кристаллов — и добавления различных металлических затворов для двух транзисторов. Комбинируя процессы исток-сток и двойной металлический затвор, мы можем создавать различные проводящие типы кремниевых нанолент (типа p и типа n ) для составления пар КМОП-транзисторов с накоплением. Это также позволяет нам регулировать пороговое напряжение устройства — напряжение, при котором транзистор начинает переключаться — отдельно для верхней и нижней нанолент.

Как мы все это делаем? Изготовление самовыравнивающихся 3D CMOS начинается с кремниевой пластины. На эту пластину мы наносим повторяющиеся слои кремния и кремния-германия, образуя структуру, называемую сверхрешеткой. Затем мы используем литографическое моделирование, чтобы вырезать части сверхрешетки и оставить плавниковую структуру. Кристалл сверхрешетки обеспечивает прочную опорную структуру для того, что появится позже.

Затем мы размещаем блок «фиктивного» поликристаллического кремния поверх той части сверхрешетки, где будут находиться затворы устройства, защищая их от следующего шага в процедуре. На этом этапе, называемом вертикальным процессом двойного истока/стока, выращивается кремний, легированный фосфором, на обоих концах верхних нанолент (будущее устройство NMOS), а также селективно выращивается кремний-германий, легированный бором, на нижних нанолентах (будущее устройство PMOS). . После этого мы наносим диэлектрик вокруг истоков и стоков, чтобы электрически изолировать их друг от друга. Последний шаг требует, чтобы мы затем полировали пластину до идеальной плоскостности.

Вид с ребра трехмерного сложенного инвертора показывает, насколько сложны его соединения. Emily Cooper

При размещении NMOS поверх PMOS-транзисторов трехмерное стекирование фактически удваивает плотность CMOS-транзисторов на квадратный миллиметр, хотя реальная плотность зависит от сложности используемой логической ячейки. Ячейки инвертора показаны сверху с указанием межсоединений истока и стока [красным], межсоединений затвора [синим] и вертикальных соединений [зеленым].

Наконец, мы строим ворота. Во-первых, мы удаляем ложные ворота, которые мы поставили ранее, обнажая кремниевые наноленты. Затем мы вытравливаем только кремний-германий, освобождая стопку параллельных кремниевых нанолент, которые будут областями каналов транзисторов. Затем мы покрываем наноленты со всех сторон исчезающе тонким слоем изолятора с высокой диэлектрической проницаемостью. Каналы нанолент настолько малы и расположены таким образом, что мы не можем эффективно легировать их химическим путем, как в случае планарного транзистора. Вместо этого мы используем свойство металлических ворот, называемое работой выхода, для придания того же эффекта. Мы окружаем нижние наноленты одним металлом, чтобы
p -легированный канал и верхние с другим, чтобы сформировать n -легированный канал. Таким образом, стеки затворов закончены, и два транзистора готовы.

Этот процесс может показаться сложным, но он лучше, чем альтернатива — технология, называемая последовательной трехмерной CMOS. С помощью этого метода устройства NMOS и устройства PMOS строятся на отдельных пластинах, они соединяются, а слой PMOS переносится на пластину NMOS. Для сравнения, самовыравнивающийся 3D-процесс требует меньше производственных этапов и позволяет более жестко контролировать производственные затраты, что мы продемонстрировали в ходе исследования и сообщили на конференции IEDM 2019..

Важно отметить, что метод самовыравнивания также позволяет избежать проблемы смещения, которое может возникнуть при склеивании двух пластин. Тем не менее, последовательное трехмерное наложение исследуется для облегчения интеграции кремния с некремниевыми материалами каналов, такими как германий и полупроводниковые материалы III-V. Эти подходы и материалы могут стать актуальными, поскольку мы стремимся тесно интегрировать оптоэлектронику и другие функции в один чип.

Создание всех необходимых подключений к CMOS с трехмерным стеком является сложной задачей. Силовые подключения должны быть выполнены снизу стека устройств. В этой конструкции устройство NMOS [вверху] и устройство PMOS [внизу] имеют отдельные контакты исток/сток, но оба устройства имеют общий затвор. Эмили Купер

Новый процесс самовыравнивания CMOS и CMOS с 3D-накоплением, которые он создает, хорошо работают и, по-видимому, имеют значительные возможности для дальнейшей миниатюризации. На этом раннем этапе это очень обнадеживает. Устройства с длиной затвора 75 нм продемонстрировали как низкую утечку, которая обеспечивается отличной масштабируемостью устройства, так и высокий ток в открытом состоянии. Еще один многообещающий признак: мы создали пластины, в которых наименьшее расстояние между двумя наборами сложенных устройств составляет всего
55 нм. Хотя достигнутые нами результаты производительности устройств сами по себе не являются рекордными, они хорошо сравнимы с отдельными устройствами управления без стеков, построенными на той же пластине с той же обработкой.

Параллельно с интеграцией процессов и экспериментальной работой мы проводим множество текущих теоретических, симуляционных и проектных исследований, направленных на то, чтобы дать представление о том, как лучше всего использовать 3D CMOS. Благодаря им мы нашли некоторые ключевые моменты в конструкции наших транзисторов. Примечательно, что теперь мы знаем, что нам необходимо оптимизировать расстояние по вертикали между NMOS и PMOS — если оно слишком короткое, это увеличит паразитную емкость, а если оно слишком длинное, увеличится сопротивление межсоединений между двумя устройствами. Любая крайность приводит к более медленным цепям, которые потребляют больше энергии.

Многие дизайнерские исследования, такие как одно, проведенное
Исследовательский центр TEL America, представленный на выставке IEDM 2021, сосредоточен на обеспечении всех необходимых межсоединений в ограниченном пространстве 3D CMOS без значительного увеличения площади логических ячеек, которые они составляют. Исследование TEL показало, что есть много возможностей для инноваций в поиске наилучших вариантов межсоединений. Это исследование также подчеркивает, что CMOS с трехмерным стеком должны иметь межсоединения как над, так и под устройствами. Эта схема, называемая скрытыми шинами питания, берет межсоединения, которые обеспечивают питанием логические ячейки, но не передают данные, и удаляет их на кремний под транзисторами.