Атомные часы принцип работы: Как это устроено: атомные часы / Хабр

Атомные часы — frwiki.wiki

Не следует путать с Nuclear Clock .

Коммерческие атомные часы с цезием, которые использовались для определения французского юридического времени в 1980-х годах и в качестве эталона для говорящих часов.

Цезиевые атомные часы, внутренний вид.

Атомные часы являются часами, которые используют непрерывность и неизменность частоты от электромагнитного излучения, испускаемого электроном при переходе от одного уровня энергии на другой, чтобы обеспечить точность и стабильность сигнала колебательного, что она производит. Одно из основных его применений — поддержание международного атомного времени (TAI) и распределение всемирного координированного времени (UTC), которые являются эталонными шкалами времени.

Резюме

• 1 рассказ
• 2 Принцип работы
  • 2.1 Введение в процессы переходов между атомными уровнями
    • 2.1.1 Процессы в атомной энергии
    • 2. 1.2 Понятие о тонкой и сверхтонкой структуре
  • 2.2 Пример атомных реактивных часов цезия-133
    • 2.2.1 Эксплуатация
    • 2.2.2 Производительность
• 3 Приложения
• 4 История и развитие
  • 4.1 Начало
  • 4.2 Атомные часы на оптических частотах
• 5 ссылки
• 6 См. Также
  • 6.1 Связанные статьи
  • 6.2 Внешние ссылки

История

Атомные часы появились в ХХ веке.

В 1955 году Луи Эссен и Джек Парри из NPL (Национальная физическая лаборатория) создали прототип атомных часов с частотой 9 192 631 830 ± 10 циклов в секунду, т. Е. Погрешность порядка единицы за 30 лет.

В 1967 году тринадцатая Генеральная конференция мер и весов постановляет:

«Вторая — это точная длительность 9 192 631 770 колебаний (или периодов) перехода между сверхтонкими уровнями основного состояния атома 133Cs (атом в состоянии покоя T = 0K)»

— CGPM

Сегодня атомные часы были преобразованы в оптические часы и стали достаточно точными, чтобы на измерение времени влияло изменение высоты на 30 сантиметров из-за гравитационного эффекта, известного как общая теория относительности. В результате цезий больше не может служить достаточно точным эталоном.

Принцип действия

Введение в процессы переходов между атомными уровнями

Атомно-энергетические процессы

Стабильность атомных спектральных линий была замечена лордом Кельвином еще в 1879 году.

Атом переходит из возбужденного состояния с энергией Й ₂ к более стабильному состоянию с более низкой энергией E ₁ по спонтанному излучению в виде фотона с частотой  :

νзнак равноE2-E1часзнак равноΔEчас,{\ displaystyle \ nu = {\ frac {E_ {2} -E_ {1}} {\ mathrm {h}}} = {\ frac {\ Delta E} {\ mathrm {h}}},}

где h = 6,626070 040 (81) × 10 ⁻³⁴  Джс = 4,135 667 662 (25) × 10 ⁻¹⁵  эВ.с — постоянная Планка .

И наоборот, атом в более стабильном состоянии с энергией E ₁ перейдет в возбужденное состояние с более высокой энергией E ₂ путем поглощения фотона с частотой ν = ( E ₂ — E ₁ ) / h = Δ E / h.

Нам также известен принцип вынужденного излучения, заключающийся в том, что атом переходит из состояния возбужденной энергии в более стабильное состояние после встречи с другим фотоном. Затем энергия атома будет рассеиваться за счет испускания другого фотона, который будет иметь те же характеристики, что и фотон-инициатор.

Также существует ненулевая вероятность того, что атом в возбужденном состоянии переходит в более стабильное и более слабое состояние в результате процесса безызлучательного девозбуждения, то есть без испускания фотона. Поскольку система должна удовлетворять соотношению сохранения энергии, результатом будет либо нагрев атома, либо передача импульса .

Эти элементарные атомные процессы, теория которых была частично разработана Альбертом Эйнштейном, станут основой всех взаимодействий, позволяющих разработать атомный эталон для измерения времени.

Понятие о тонкой и сверхтонкой структуре

Наблюдение с высоким разрешением световых линий спектра излучения или поглощения подчеркивает наличие наложения нескольких компонентов в пределах одной линии.

Основная линия задается главным квантовым числом n, характеризующим собственные состояния волновых функций его электронных орбиталей. На том же основном квантовом уровне теория даст серию квантовых подуровней, соответствующих вырожденным квантовым состояниям, которые будут созданы различными физическими взаимодействиями внутри атома (спин-орбитальное взаимодействие, объемные эффекты, эффекты, масса и  т . Д. ). Эти подуровни и являются причиной сложной структуры основной линии, наблюдаемой в спектре. Затем мы говорим о тонкой структуре или даже о сверхтонкой структуре некоторых атомов в определенных условиях магнитного поля.

Пример атомных реактивных часов с цезием-133

Операция

Атомные часы-фонтан из атомов цезия NIST-F1  (in) . Эти часы являются основным стандартом времени и частоты в США с погрешностью 5,10 × 10 ⁻¹⁶ (в 2005 г. ).

Физическая система, здесь нагретая камера, содержащая цезий, создает струю атомов.

В этой струе сохраняются только атомы, соответствующие желаемому начальному энергетическому состоянию, здесь E ₁ (выбор осуществляется путем отклонения под действием магнитного поля).

Кварцевый генератор (производя 10  МГц сигнал ) умножается для того, чтобы вбить СВЧ — генератора на частоте v, ‘(близкой к v, ). Затем этот сигнал вводится в так называемую резонансную полость Рамсея.

Струя атомов в состоянии E ₁ проходит через полость Рамсея: чем ближе частота ν ′ будет к ν, тем большее количество атомов, поглощая волну, перейдет в l состояние E _2. .

На выходе атомная струя подвергается второму магнитному отклонению, которое отделяет атомы в состоянии E ₂ от атомов в состоянии E ₁ .

Детектор, расположенный на траектории атомов в состоянии E ₂, выдает сигнал, пропорциональный количеству этих атомов. Чем ближе ν ‘к ν, тем большее количество атомов E ₂ считается на выходе.

Сервосистема непрерывно регулирует частоту кварцевого генератора, чтобы максимизировать количество атомов в состоянии E ₂, и, следовательно, поддерживать частоту генератора близкой к оптимальной. Таким образом, частота осциллятора зависит от частоты атомного перехода.

В случае цезия частота ν составляет 9 192 631 770  Гц . Это значение является точным, поскольку оно используется для определения как второго, так и обратного ему герца .

Затем время отсчитывается путем деления колебаний кварцевого генератора, связанного с электронной схемой, отображающей, например, время, как в кварцевых часах .

Колебания также могут использоваться непосредственно для управления устройствами или оборудованием, требующим стабильной рабочей частоты.

Выступления

Лучшие цезиевые часы (в 2013 году) достигают стабильности порядка 1 × 10 ^-14  с. с ^-1 и достигают 2 × 10 ^-16  с.с ^-1 после нескольких дней работы. Это означает, что часы дрейфуют на 2 × 10 ^-16 секунд за одну секунду, что часто популяризируется тем, что часы дрейфуют на целую секунду в годах, в данном случае на одну секунду из 160 миллионов лет назад.

Приложения

Международное атомное время является мир, основанный на определении атомарного второй, вычисленной в Международном бюро мер и весов в Севре, путем усреднения около 500 часов атомных (2016) в более чем 70 лабораторий в мире. Эти эталонные часы в основном относятся к атомному типу цезия, другие работают с рубидием или с водородным мазером .

Во Франции официальное время генерируется Национальной метрологической и испытательной лабораторией — Система отсчета времени и пространства (LNE-SYRTE), расположенной в Парижской обсерватории . Он основан на показаниях примерно сотни приборов, в частности шести цезиевых часов и четырех активных водородных мазеров .

Атомные часы также используются в системах спутникового позиционирования . Таким образом, спутники из самых GPS созвездий, о ГЛОНАСС системы или те из Галилео программы каждый из них несет несколько атомных часов, до четырех для спутников GPS.

Два тестовых спутника GIOVE системы Galileo, запущенные в 2005 и 2008 годах, несли на одном рубидиевые часы, а на другом — дополнительный водородный мазер, что делало его наиболее стабильным эталоном времени, когда-либо отправленным на орбиту, и спутником наиболее эффективной навигации в Мир.

Атомные часы также используются в телекоммуникационных сетях для подачи опорного сигнала на генераторы внутреннего оборудования, чтобы гарантировать качество передачи услуг в соответствии с международными стандартами . Мы используем либо сигналы, непосредственно создаваемые атомными часами, либо сигналы, создаваемые излучением спутников группировки GPS, которые имеют стабильность бортовых атомных часов.

История и развитие

Начала

• 1949: Первый прототип разработан Национальным институтом стандартов и технологий США, в нем используется молекула аммиака .
• 1955: Национальная физическая лаборатория в Англии создает первые цезиевые атомные часы.
• 1958: Доступны коммерческие атомные часы с цезием по цене 20 000 долларов.
• 1967: второй, блок из международной системы, устанавливается на 13 — ^й Генеральной конференции по мерам и весам в соответствии с колебаниями атома цезия.

Атомные часы на оптических частотах

Недавние исследования по повышению точности атомных часов были сосредоточены на других атомах ( кальций, иттербий, стронций, ртуть, алюминий ), заключенных в оптические решетки, энергетические переходы которых происходят на оптических частотах (порядка 100000 раз выше, чем у атома). переход атома цезия; BIPM зафиксировал переход стронция на 429 228 004 229 873,2 Гц воктябрь 2015). В 2018 году, JILA встроенные часы, которые манипулируют атомов с помощью лазеров превышающей точность лучших цезиевых часов: точность 2,5 × 10 ^-19  с с ^-1 было достигнуто за счет часов, используя трехмерную решетку атомов стронция. Antoine Cappelle, »  Атомные часы поднимаются по частоте  «, La Recherche, п ^о  483,Январь 2014, стр.  50 ( читать онлайн ).

↑ (in) «Таблица 4. Оборудование и источник UTC (k) лабораторий, внесших вклад в TAI в 2016 году» в Годовом отчете МБМВ о временной деятельности, Международное бюро мер и весов ,2016 г.( читать онлайн [PDF] ).

↑ (фр + еп) Филипп Таки, «  Галилео: пространство на службе европейского гражданина  », Le Magazine де l’Обсерватория Париж, Обсерватория Париж, п ^о  10 «Специальном пространстве» ,июнь 2008 г., стр.  15 ( читать онлайн [PDF], по состоянию на 6 апреля 2020 г. ).

↑ (ru) Дж. Эдвард Марти; Росс Б. Хатсон; Акихиса Гобан; Сара Л. Кэмпбелл; Никола Поли; Джун Йе, «  Визуализация оптических частот с точностью 100 мкГц и разрешением 1,1 мкм  », Physical Review Letters ,5 марта 2018 г., стр.  120 (10): 1–6 (arXiv: 1711.08540)

Смотрите также

Статьи по Теме

• DCF77
• Ядерные часы
• Хронометрия

Внешние ссылки

• Внедрение и эксплуатация атомных фонтанов
• История и функционирование атомных часов

<img src=»//fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1×1″ alt=»» title=»»>

Частоту атомных часов сравнили с рекордной точностью

Физикам удалось найти отношения частот оптических атомных часов на
основе атомов алюминия, стронция и иттербия с относительной точностью в интервале
между 6 × 10⁻¹⁸ и 8 × 10⁻¹⁸. Таким образом ученые впервые сравняли порядок ошибки при сравнении показаний двух оптических
часов на разных атомах с точностью измерения времени на этих устройствах. Между
двумя из использованных устройств, расположенных на расстоянии 1,5 километров,
исследователи наладили оптическую связь по воздуху и использовали ее
для сравнения частот часов, что тоже удалось сделать в первый раз. В будущем такая технология позволит, к примеру,
устанавливать оптические часы на спутники и сверяться с ними на большом
расстоянии. А накопленные данные исследователи использовали для того,
чтобы наложить ограничения на существование легчайших частиц темной материи. Статья
опубликована в
журнале Nature.

Атомные часы — самый точный на настоящий момент способ измерения
времени. Принцип их работы основан на том, что каждый атом может излучать и поглощать
фотоны только с определенными частотами, которые являются резонансными для
конкретного атома. Эти частоты практически не зависят от внешних факторов и определяются
законами квантовой механики, ведь согласно ей атом — система с дискретными
энергетическими уровнями со строго заданным положением, при переходе между
которыми электрон и должен излучить или поглотить фотон определенной энергии, а значит и частоты. Так, с 1968 года эталон
секунды определен как 9192631770 периодов излучения, соответствующего
переходу между двумя уровнями сверхтонкой
структуры атома цезия-133.

Основа самих атомных часов на цезии-133 — микроволновый резонатор,
настроенный на используемую микроволновую частоту перехода в атоме. Такие
устройства позволяют измерять время в секундах с точностью до 16 знаков после
запятой, но их точность ограничена возможностью измерения и контролирования
отклонений в десятки микрогерц в искомой резонансной частоте. Поэтому на смену микроволновым
атомным часам пришли оптические: в них в качестве эталона используются такие
переходы в атомах, которые приводят к возникновению фотонов с частотой в оптическом
диапазоне. В таких часах резонансная частота иногда в 100 тысяч раз больше, чем
у их микроволновых предшественников, что позволяет добиваться улучшения стабильности
часов и уменьшения относительной статистической погрешности в определении
времени в 100 раз, то есть до 10^-18.

Однако, чтобы использовать оптические атомные часы в
практических задачах, физикам нужно уметь сравнивать их частоты с той же точностью,
с которой они измеряют время. И хоть ученые добились такой
точности для сравнения работы устройств, в которых используются одни и те же
атомы, для атомных часов с различными резонансными частотами все существенно
хуже. Так, наименьшая относительная погрешность сравнения таких частот до
недавнего времени составляла
лишь 2,5 × 10⁻¹⁷. Между тем только для стронция-86 и
ртути-199 измерения отношения оптических резонансных частот были проведены в
двух независимых лабораториях: значение совпало в пределах суммарной относительной
погрешности в 2 × 10⁻¹⁶ (работы
[1]
и [2]).

Умение проводить такие сравнения с большей точностью
необходимо для целого ряда задач в рамках поиска Новой физики. Так, оптические
часы позволяют
искать отклонения значений фундаментальных констант, с их же помощью ученые пытаются
найти следы легкой темной материи. Кроме того, развитие этой технологии
позволило бы использовать оптические часы и в технике: к примеру, они бы смогли
существенно повысить точность
геодезии и создать
более точную глобальную систему хронометража. Но для этого есть еще одна
преграда: сравнение резонансных частот оптических часов пока осуществлялась
только с помощью приведения двух таких устройств в контакт с помощью
оптоволоконных линий, а физикам хотелось бы иметь возможность делать такую калибровку по воздуху. Такой возможностью до недавнего времени могли похвастаться
только микроволновые атомные часы.

Теперь же ученые из коллаборации BACON (Boulder
Atomic Clock Optical Network) одновременно смогли и улучшить точность сравнения
частот оптических часов на различных атомах, и использовать при этом передачу
информации между двумя часами по воздуху. Физики измерили отношения резонансных частот трех оптических часов, двое из которых были расположены в кампусе
Национального института стандартов и технологий (NIST), а одни — в институте JILA. Оба учреждения расположены в городе Боулдер, что позволило физикам соединить оптические часы на основе
атомов алюминия-27 и иттербия-171 в NIST и стронция-87 в JILA с помощью
оптоволоконной линии длиной 3,6 километра и линии связи в оптическом диапазоне по
воздуху длиной 1,5 километра.

Для передачи информации о частоте атомных часов использовались
оптические
частотные гребенки — устройства, позволяющие с высокой точностью измерять
частоту регистрируемого излучения. Именно с их помощью измерялась частота
лазеров, которые были напрямую связаны с оптическими часами и их частотами, и
излучение которых перенаправлялось между лабораториями по оптоволокну, а в
случае сравнения частот часов с иттербием и стронцием — и по воздуху. Относительная
погрешность, которую оптические частотные гребенки вносили в измерения, оказалась
равна всего 5 × 10⁻¹⁹, а наибольшую погрешность давали системы,
контролирующие калибровку лазера при его взаимодействии с оптическими часами.

В результате исследователям удалось измерить отношения частот
перехода ¹S₀ ↔ ³P₀ (частота
которого и являлась резонансной для оптических часов) в атомах алюминия-27, иттербия-171
и стронция-87 с относительной точностью в пределах между 6 × 10⁻¹⁸ и
8 × 10⁻¹⁸. Такая точность измерений на порядки больше предыдущих
результатов, ранее полученных коллаборацией и другими лабораториями.

Кроме того, как уже упоминалось, отношения частот оптических
часов очень чувствительны к физике за пределами Стандартной модели. Так, ряд моделей
предсказывает существование крайне легких бозонных частиц темной материи,
которые могут приводить к колебаниям значений фундаментальных констант. Такие
колебания при их наличии неизбежно будут приводить к периодическим изменениям положения
энергетических уровней в атомах, а значит с помощью продолжительного измерения
отношения частот атомных часов можно наложить ограничения на взаимодействие
таких темных легких бозонов с материей. Именно это и сделали участники
коллаборации BACON:
накопленных данных оказалось достаточно для усиления ограничений на константу
взаимодействия темной материи вплоть до одного порядка на диапазоне масс темных
частиц от 10^-23 до 10^-18 электронвольт.

Ранее мы уже писали о том, как с помощью оптических часов на
основе атомов стронция в лаборатории JILA удалось
ограничить темную материю, и о том, как такой метод помогает физикам искать
Новую физику.

Никита Козырев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Как работают атомные часы?

Живая наука поддерживается своей аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.

NIST-F1, национальный стандарт времени и частоты, является одним из самых точных часов в мире.
(Изображение предоставлено NIST)

Хронометраж может быть таким же простым, как подсчет «одна Миссисипи, две Миссисипи…». до игры в футбол на заднем дворе или отслеживания возвратно-поступательных колебаний маятника в напольных часах.

В обоих случаях хитрость заключается в том, чтобы подсчитывать интервалы повторяющихся событий с минимальными вариациями. Качание маятника, скажем, или «Миссисипи» примерно соответствует секунде, единице измерения времени, которая, как мы знаем, состоит из минут и часов.

Но даже у лучших механических маятников и кварцевых часов возникают расхождения. Гораздо лучше для хронометража подходит естественная и точная «вибрация» возбужденного атома.

При воздействии определенных частот излучения, таких как радиоволны, субатомные частицы, называемые электронами, вращающиеся вокруг ядра атома, будут «прыгать» между энергетическими состояниями. Таким образом, часы, основанные на этом прыжке внутри атомов, могут обеспечить чрезвычайно точный способ подсчета секунд.

Поэтому неудивительно, что международный стандарт длительности одной секунды основан на атомах. С 1967 года официальное определение секунды составляет 9 192 631 770 циклов излучения, которое заставляет атом элемента, называемого цезием, колебаться между двумя энергетическими состояниями.

Внутри цезиевых атомных часов атомы цезия направляются по трубке, где они проходят через радиоволны. Если эта частота равна 9 192 631 770 циклов в секунду, то атомы цезия «резонируют» и меняют свое энергетическое состояние.

Детектор на конце трубки отслеживает количество достигших его атомов цезия, которые изменили свое энергетическое состояние. Чем точнее настроена частота радиоволн до 9 192 631 770 циклов в секунду, тем больше атомов цезия достигает детектора.

Детектор возвращает информацию в генератор радиоволн. Он синхронизирует частоту радиоволн с пиковым числом ударяющих по нему атомов цезия. Другая электроника в атомных часах считает эту частоту. Как и при одиночном колебании маятника, секунда отсчитывается, когда выполняется отсчет частоты.

Первые качественные атомные часы, изготовленные в 1950-х годах, были основаны на цезии, и такие часы, отточенные до большей точности на протяжении десятилетий, остаются основой, используемой для отсчета официального времени во всем мире.

В Соединенных Штатах лучшие часы поддерживаются Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) в Боулдере, штат Колорадо, и Военно-морской обсерваторией США (USNO) в Вашингтоне, округ Колумбия. часы могут давать настолько точную частоту, что их временная погрешность в день составляет около 0,03 наносекунды, а это означает, что часы теряют одну секунду за 100 миллионов лет.

Сверхточный хронометраж является неотъемлемой частью многих элементов современной жизни, таких как высокоскоростная электронная связь, электрические сети и глобальная система позиционирования (GPS) и, конечно же, знание того, когда начинается ваше любимое телешоу.

• Почему кварц используется в часах?
• Почему переход на летнее время начинается в 2 часа ночи?
• Откуда электроны берут энергию для вращения вокруг ядра атома?

Есть вопрос? Отправьте его по адресу Life’s Little Mysteries, и мы постараемся на него ответить. К сожалению, из-за большого количества вопросов мы не можем ответить индивидуально, но мы опубликуем ответы на самые интригующие вопросы, так что заходите позже.

Адам Хадхази — автор статей для Live Science и Space.com. Он часто пишет о физике, психологии, поведении животных и сюжетах в целом, исследуя размытую грань между сегодняшней научной фантастикой и завтрашним научным фактом. Адам имеет степень магистра гуманитарных наук Института журналистики имени Артура Л. Картера при Нью-Йоркском университете и степень бакалавра гуманитарных наук Бостонского колледжа. В перерывах между повторами «Звездного пути» Адам любит швырять фрисби или есть острую пищу. Вы можете ознакомиться с другими его работами на сайте www.adamhadhazy.com.

атомные часы | инструмент | Британика

цезиевые атомные часы

Смотреть все СМИ

Связанные темы:

атом
Часы
атомное время
цезиевые часы

Посмотреть весь связанный контент →

Узнайте о часах и самых точных из них, атомных часах

Посмотреть все видео к этой статье

атомные часы , тип часов, в которых используются определенные резонансные частоты атомов (обычно цезия или рубидия) следить за временем с предельной точностью. Электронные компоненты атомных часов регулируются частотой микроволнового электромагнитного излучения. Только когда это излучение поддерживается на строго определенной частоте, оно вызывает квантовый переход (изменение энергии) атомов цезия или рубидия. В атомных часах эти квантовые переходы наблюдаются и поддерживаются в петле обратной связи, которая подстраивает частоту электромагнитного излучения; как и повторяющиеся события в других типах часов, эти волны затем подсчитываются.

В 1967 году 13-я Генеральная конференция по мерам и весам переопределила секунду, единицу времени в Международной системе единиц, в терминах стандарта цезия, чтобы она равнялась секунде эфемеридного времени. Конференция определила секунду как «продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133».

Подробнее по этой теме

время: атомные часы

Переходы во многих атомах и молекулах связаны с четко определенными частотами в районе 1010 герц, и после достоверного…

До 1990-х годов цезиевые атомные часы были самым точным эталоном атомного времени и частоты. Принцип, лежащий в основе цезиевых часов, заключается в том, что все атомы цезия-133 идентичны и, когда они поглощают или выделяют энергию, производят излучение одинаковой частоты, что делает атомы идеальными часами.