Часы атомах: Как это устроено: атомные часы / Хабр |

Содержание

Запутанность атомов поможет увеличить точность атомных часов

: Наталия Теряева; 23 декабря 2020; 663; #Наука

Фото: watchalfavit.ru

Атомные часы с маятником в виде атомов цезия-133 ошибаются на одну секунду раз в три миллиарда лет. Эту точность можно увеличить в шесть раз, если цезий заменить на иттербий и заставить его атомы запутаться.

Вселенная родилась 13,8 миллиарда лет назад. Новые атомные часы ни разу не ошибутся даже на секунду за все время жизни Вселенной, утверждают исследователи из Массачусетского технологического института в опубликованной журналом Nature статье.

Маятник современных атомных часов – атом цезия – работает так: сначала атом возбуждают, передавая ему квант энергии, потом атом успокаивают, и он отдает тот же квант энергии обратно. Колебания кванта энергии к атому и от атома создают видимое нам на экране атомных часов движение времени. Одна секунда соответствует 9 192 631 770 переходам кванта энергии туда-обратно.

Устройство, в котором происходит движение квантового маятника атомных часов называется красиво: цезиевый фонтан. Потому что процесс передачи квантов энергии атомам цезия действительно напоминает фонтан.

В узкой вертикальной запаянной трубке в атмосфере вакуума летает облачко из атомов цезия (цезий плавится при комнатной температуре). Сначала облачко висит на пересечении лучей четырех горизонтальных лазеров, которые возбуждают атомы цезия. Два вертикальных лазера заставляют облачко из возбужденных атомов цезия летать по вертикали: нижний лазер нагревает атомы и подбрасывает облачко вверх, верхний лазер охлаждает атомы и заставляет облачко спускаться вниз. Двигаясь в фонтане вверх-вниз атомы по пути передают кристаллу кварца возбужденные в них лазерами кванты энергии.

Кристалл кварца, получая кванты энергии, то есть электрические импульсы, меняет свою форму – сжимается и разжимается, то есть колеблется. Эти колебания формы кварца вызывают в свою очередь электрические импульсы, поскольку кварц при изменении формы поляризуется (пьезоэлектрический эффект). 9 192 631 770 таких импульсов дают одну секунду на экране атомных часов.

Точность цезиевых часов составляет одну секунду в три миллиарда лет. Именно такая точность позволяет человечеству пользоваться спутниковой связью. До появления атомных часов современные технологии навигации и сетевой синхронизации были принципиально невозможны.

Однако человечеству нужны новые возможности и новые технологии в познании Вселенной. И они недостижимы без повышения точности измерения времени атомными часами.

Поэтому несколько лет назад в Национальном институте стандартов и технологий США атомные часы усовершенствовали: заменили в фонтане атомы цезия на атомы иттербия, чтобы устранить помехи, которые мешают точнее измерять моменты передачи квантов энергии от атомов к пьезоэлектрику. Атомы иттербия поместили в ячейки оптической решетки – бублики из стоячих волн, создаваемых лазером. Такие часы назвали оптическими атомными часами.

Оптические атомные часы на иттербии достигли рекордных показателей стабильности – промежутка времени, за который все атомы приходят в одинаковое квантовое состояние. У некоторых атомных часов на это уходят сутки. Часы на основе иттербия достигают стабильности менее чем за секунду. Через секунду они готовы к измерениям времени.

Однако и у иттербиевых часов есть недостаток – квантовый шум. Само измерение состояния атома меняет его состояние.

Несколько лет назад исследователи из Массачусетского технологического института и Белградского университета в Сербии предположили, что квантовый шум можно компенсировать с помощью квантовой запутанности.

Квантовая запутанность соединяет атомы так, что их спины (направления вращения атомов вокруг собственной оси) оказываются влияющими друг на друга. Тогда можно перераспределить неопределенность в облаке атомов, увеличивая точность в одних частях облака за счет других его частей.

«Это похоже на то, что свет служит связующим звеном между атомами, – говорит физик Массачусетского технологического института Чи Шу. – Первый атом, который видит этот свет, немного изменит свет, и этот свет также изменит второй атом и третий атом, и через множество циклов атомы все вместе узнают друг друга и начнут вести себя одинаково».

«Создание запутанности при квантовых переходах в оптических часах и работа оптических часов за пределами стандартного квантового предела представляют собой важные цели в квантовой метрологии, но еще не были продемонстрированы экспериментально», – пишут авторы исследования в журнале Nature.

Они сообщают в своей публикации о создании многоатомного запутанного состояния при квантовом переходе в оптических часах. В эксперименте использован ансамбль, состоящий из нескольких сотен атомов иттербия-171. Это позволило уменьшить время стабилизации оптических часов почти в три раза. То есть с использованием квантовой запутанности оптические часы готовы к измерениям за доли секунды.

С увеличением скорости стабилизации оптических часов можно будет изучить тонкие влияния, которые Вселенная оказывает на время.

Поделиться новостью

Добавить комментарий

Ученые впервые сверили всемирные атомные часы по звездам

https://ria.ru/20201009/chasy-1579049125.html

Ученые впервые сверили всемирные атомные часы по звездам

Ученые впервые сверили всемирные атомные часы по звездам — РИА Новости, 09.10.2020

Ученые впервые сверили всемирные атомные часы по звездам

Астрономы и эксперты по точному времени, объединив свои усилия, создали новую систему более точной сверки атомных часов по всему миру по радиосигналам,… РИА Новости, 09.10.2020

2020-10-09T15:45

2020-10-09T15:46

наука

астрономия

япония

космос — риа наука

физика

земля

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/0a/09/1579041749_0:19:1440:829_1920x0_80_0_0_b2b00ae822e35968671870dc5b089c4d.jpg

МОСКВА, 9 окт — РИА Новости. Астрономы и эксперты по точному времени, объединив свои усилия, создали новую систему более точной сверки атомных часов по всему миру по радиосигналам, исходящим от далеких звезд. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.Атомные часы — прибор для измерения времени, в котором в качестве эталона используют колебания, происходящие на уровне атомов или молекул. Международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя уровнями основного состояния атома цезия-133. Такая точность нужна для определения положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолетов, подводных лодок, беспилотных автомобилей. Атомные часы используются в системах спутниковой и наземной телекоммуникаций, в базовых станциях мобильной связи, а также международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио.В частности, международное время, рекомендованное для использования в гражданских целях — UTC, или всемирное координированное время — ежедневно рассчитывается Международным бюро мер и весов (BIPM) во Франции на основе сверки атомных часов по всей планете через спутниковую связь. Однако у этого метода есть свои погрешности — современные оптические атомные часы, созданные на основе лазеров, взаимодействующих с ультрахолодными атомами, обеспечивают большую точность, чем спутниковая связь, которая их связывает.Астрономы и эксперты по точному времени из Национального института информационных и коммуникационных технологий Японии (NICT), Национального института метрологии Италии (INRIM), Национального института астрофизики Италии (INAF) и бюро BIPM предложили в качестве источников опорных сигналов для сверки атомных часов использовать волны внегалактических радиоисточников.Для этого исследователи под руководством Мамуру Секидо (Mamoru Sekido) из NICT для реализации техники интерферометрии со сверхдлинной базой (VLBI) разработали два специальных радиотелескопа, один из которых был развернут в Японии, а другой в Италии. Эти телескопы могут вести наблюдения в широком диапазоне частот, а антенны диаметром всего 2,4 метра позволяют их перемещать.»Мы хотим показать, что широкополосный VLBI может стать мощным инструментом не только в геодезии и астрономии, но и в метрологии», — приводятся в пресс-релизе NICT слова Секидо. Чтобы достичь требуемой чувствительности, во время тестовых испытаний, проводимых с 14 октября 2018 года по 14 февраля 2019 года, маленькие антенны работали в тандеме с более крупным 34-метровым радиотелескопом в Кашиме, Япония.Целью было соединить оптические часы, расположенные на разных континентах, на расстоянии 8700 километров друг от друга, и работающие, к тому же, на разных атомных источниках. Часы в INRIM в Италии используют иттербий, а часы в NICT в Японии — стронций. Кстати, и те, и другие — кандидаты на будущее переопределение секунды в Международной системе единиц (СИ).»Сегодня новое поколение оптических часов требует пересмотра определения секунды, — говорит Давиде Калонико (Davide Calonico), координатор исследований в INRIM. — Путь к переопределению столкнется с проблемой сравнения часов во всем мире, в межконтинентальном масштабе, с более высокими характеристиками, чем сегодня».В качестве источников сигнала ученые взяли квазары, находящиеся на расстоянии миллиардов световых лет. Эти радиоисточники, питаемые черными дырами с массой в миллионы солнечных масс, настолько удалены от нас, что их можно, по мнению ученых, считать фиксированными точками в небе.Авторы полагают, что переносные антенны, подобные тем, что использовались в эксперименте, могут устанавливаться непосредственно в лабораториях, разрабатывающих оптические часы по всему миру, а также в национальных бюро точного времени.»VLBI позволит нам в Азии получить доступ к всемирному координированному времени, полагаясь на собственные измерения», — объясняет Тецуя Идо (Tetsuya Ido), директор Лаборатории космических стандартов и координатор исследований в NICT.Помимо улучшения международного хронометража, такой подход, по мнению авторов, открывает новые возможности изучения вариаций гравитационного поля Земли и фундаментальных констант, лежащих в основе физики и общей теории относительности.

https://ria.ru/20200817/1575892217.html

https://ria.ru/20200818/1575917036.html

япония

земля

РИА Новости

4. 7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/0a/09/1579041749_0:0:1387:1040_1920x0_80_0_0_6c9becca7588ef8f98d6b07a50f85316.jpg

1920

true

РИА Новости

4.7

internet-group@rian. ru

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

астрономия, япония, космос — риа наука, физика, земля

Наука, Астрономия, Япония, Космос — РИА Наука, Физика, Земля

МОСКВА, 9 окт — РИА Новости. Астрономы и эксперты по точному времени, объединив свои усилия, создали новую систему более точной сверки атомных часов по всему миру по радиосигналам, исходящим от далеких звезд. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.

Атомные часы — прибор для измерения времени, в котором в качестве эталона используют колебания, происходящие на уровне атомов или молекул. Международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя уровнями основного состояния атома цезия-133.

Такая точность нужна для определения положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолетов, подводных лодок, беспилотных автомобилей. Атомные часы используются в системах спутниковой и наземной телекоммуникаций, в базовых станциях мобильной связи, а также международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио.

В частности, международное время, рекомендованное для использования в гражданских целях — UTC, или всемирное координированное время — ежедневно рассчитывается Международным бюро мер и весов (BIPM) во Франции на основе сверки атомных часов по всей планете через спутниковую связь.

Однако у этого метода есть свои погрешности — современные оптические атомные часы, созданные на основе лазеров, взаимодействующих с ультрахолодными атомами, обеспечивают большую точность, чем спутниковая связь, которая их связывает.

Астрономы и эксперты по точному времени из Национального института информационных и коммуникационных технологий Японии (NICT), Национального института метрологии Италии (INRIM), Национального института астрофизики Италии (INAF) и бюро BIPM предложили в качестве источников опорных сигналов для сверки атомных часов использовать волны внегалактических радиоисточников.

17 августа 2020, 18:00Наука

Физики впервые наблюдали взаимодействие «кристаллов времени»

Для этого исследователи под руководством Мамуру Секидо (Mamoru Sekido) из NICT для реализации техники интерферометрии со сверхдлинной базой (VLBI) разработали два специальных радиотелескопа, один из которых был развернут в Японии, а другой в Италии. Эти телескопы могут вести наблюдения в широком диапазоне частот, а антенны диаметром всего 2,4 метра позволяют их перемещать.

«Мы хотим показать, что широкополосный VLBI может стать мощным инструментом не только в геодезии и астрономии, но и в метрологии», — приводятся в пресс-релизе NICT слова Секидо.

Чтобы достичь требуемой чувствительности, во время тестовых испытаний, проводимых с 14 октября 2018 года по 14 февраля 2019 года, маленькие антенны работали в тандеме с более крупным 34-метровым радиотелескопом в Кашиме, Япония.

Целью было соединить оптические часы, расположенные на разных континентах, на расстоянии 8700 километров друг от друга, и работающие, к тому же, на разных атомных источниках. Часы в INRIM в Италии используют иттербий, а часы в NICT в Японии — стронций. Кстати, и те, и другие — кандидаты на будущее переопределение секунды в Международной системе единиц (СИ).

«Сегодня новое поколение оптических часов требует пересмотра определения секунды, — говорит Давиде Калонико (Davide Calonico), координатор исследований в INRIM. — Путь к переопределению столкнется с проблемой сравнения часов во всем мире, в межконтинентальном масштабе, с более высокими характеристиками, чем сегодня».

В качестве источников сигнала ученые взяли квазары, находящиеся на расстоянии миллиардов световых лет. Эти радиоисточники, питаемые черными дырами с массой в миллионы солнечных масс, настолько удалены от нас, что их можно, по мнению ученых, считать фиксированными точками в небе.

Авторы полагают, что переносные антенны, подобные тем, что использовались в эксперименте, могут устанавливаться непосредственно в лабораториях, разрабатывающих оптические часы по всему миру, а также в национальных бюро точного времени.

«VLBI позволит нам в Азии получить доступ к всемирному координированному времени, полагаясь на собственные измерения», — объясняет Тецуя Идо (Tetsuya Ido), директор Лаборатории космических стандартов и координатор исследований в NICT.

Помимо улучшения международного хронометража, такой подход, по мнению авторов, открывает новые возможности изучения вариаций гравитационного поля Земли и фундаментальных констант, лежащих в основе физики и общей теории относительности.

18 августа 2020, 03:27Наука

Физики изучили условия, при которых не работает третий закон Ньютона

Cooler Atoms для улучшения атомных часов

Обзор

8 сентября 2022 г. Physics 15, s126

Исследователи охладили атомы иттербия до нескольких десятков нанокельвинов, что может стать началом следующего поколения оптических атомных часов.

Сяоган Чжан/NIST

За последнее десятилетие усовершенствования оптических атомных часов неоднократно приводили к созданию устройств, которые били рекорды по своей точности (см. Точка зрения: Повышение точности оптических атомных часов). Чтобы добиться еще большей производительности, физики должны найти способ охладить атомы в этих часах до более низких температур, что позволило бы им использовать более мелкие ловушки для атомов и снизить погрешность измерений. Для решения этой задачи Сяоган Чжан и его коллеги из Национального института стандартов и технологий в Колорадо охладили газ из атомов иттербия до рекордно низкой температуры в несколько десятков нанокельвинов [1]. Помимо создания оптических атомных часов следующего поколения, исследователи говорят, что их метод может быть использован для охлаждения атомов в квантовых компьютерах с нейтральными атомами.

Двухвалентные атомы, такие как иттербий, особенно подходят для точной метрологии, поскольку отсутствие у них чистого электронного спина делает их менее чувствительными, чем другие виды, к шуму окружающей среды. Эти атомы можно охладить до необходимых температур субмкК несколькими способами, но не все методы совместимы с требованиями высокоточных часов. Например, испарительное охлаждение, при котором удаляются наиболее энергичные атомы, занимает много времени и приводит к истощению атомов. Между тем, разрешенное охлаждение боковой полосы охлаждает движение атомов только вдоль оси одномерной оптической ловушки, не затрагивая их внеосевое движение.

Чжан и его коллеги охлаждают свои атомы с помощью лазера, настроенного на так называемый часовой переход иттербия, чрезвычайно узкая ширина линии которого означает, что атом теоретически может быть охлажден до температуры ниже 10 нК. Они демонстрируют, что точность часов, использующих неглубокую решетчатую ловушку, обеспечиваемую такой температурой, не будет ограничиваться туннелированием атомов между соседними узлами решетки, что потенциально допускает погрешность измерения ниже 10 ^-19 .

–Маррик Стивенс

Маррик Стивенс является ответственным редактором журнала Physics Magazine под номером в Бристоле, Великобритания.

Ссылки

X. Zhang et al. , «Лазерное охлаждение часов с переходом от суботдачи, позволяющее использовать часы с мелкой оптической решеткой», Phys. Преподобный Летт. 129 , 113202 (2022).

Предметные области

ОптикаАтомная и молекулярная физика

Статьи по теме

Атомная и молекулярная физика

Рождение турбулентности для квантового газа

4 ноября 2022 г.

Наблюдение за началом турбулентности в газе бозонов позволяет исследователям изучить, как турбулентность возникает. Подробнее »

Оптика

На пути к безупречной атомной оптике

24 октября 2022 г.

Разработка так называемых состояний Флоке приводит к почти совершенным атомно-оптическим элементам для интерферометров материи и волн, которые могут улучшить эти устройства. ‘ способность исследовать новую физику. Подробнее »

Оптика

Частотная гребенка Измерение квантовой интерференции

21 октября 2022 г.

Многоволновой лазерный источник, известный как частотная гребенка, представляет собой новый метод атомной интерферометрии, потенциально ведущий к новым испытаниям фундаментальной физики. Подробнее »

Другие статьи

Спутниковые атомные часы на основе диффузных атомов, охлаждаемых лазером

1 Введение

Атомные часы с атомами, охлаждаемыми лазером, быстро развивались с тех пор, как было изобретено лазерное охлаждение атомов [1]. Атомный фонтан в настоящее время широко используется в качестве стандарта частоты во многих лабораториях, как обобщается в Ref. [2], и даже в космосе [3]. В фонтанных часах атомы, охлаждаемые лазером, обычно из магнитооптической ловушки (МОЛ), запускаются вверх через микроволновую полость и снова падают вниз через полость под действием силы тяжести. Двойной опрос между холодными атомами и микроволнами дает полосы Рамсея, центральная полоса которых имеет гораздо меньшую ширину линии по сравнению с тепловым лучом. Фонтанные часы имеют отличные характеристики с точностью и стабильностью в течение 1 дня около 2,0 × 10–16, но громоздки и сложны в эксплуатации.

Реализовано несколько схем преодоления громоздкого объема атомного фонтана. В этих схемах МОЛ, СВЧ-опрос и детектирование атомов выполняются внутри одного резонатора, а рамсиевское взаимодействие реализуется двумя СВЧ-импульсами [4, 5]. Такое расположение уменьшает размер фонтанных часов, но сохраняет их характер. Поскольку для МОЛ требуется сильное импульсное магнитное поле, которое воздействует на микроволновый резонатор, такая установка имеет проблемы с долговременной работой.

Диффузное лазерное охлаждение (DLC) нечувствительно к магнитному полю и поэтому является идеальным методом генерации холодных атомов в микроволновом резонаторе [6–8]. Часы холодного атома на основе DLC были разработаны в Париже и Шанхае [9, 10]; В парижской установке используется сферический микроволновый резонатор, а в шанхайской — цилиндрический. Оба получили отличные характеристики с долговременной стабильностью около 2,0×10-15.

В этом исследовании мы представляем разработку и начальные испытания инженерной модели стандарта СВЧ частоты с DLC для спутниковых систем. В отличие от принципиальной модели, инженерная модель должна быть рассчитана на непрерывную и длительную непрерывную работу в космосе.

2 Проектирование и монтаж

Спутниковые часы с холодным атомом на основе DLC состоят из четырех блоков, включая физический блок, оптическую скамью, СВЧ-электронику и систему управления. Все блоки объединены в один блок, который удовлетворяет условиям внутри спутника.

2.1 Физический пакет

Физический пакет включает в основном вакуумную систему, микроволновый резонатор, источник цезия, магнитный экран и детектирующую оптику, как показано на рисунке 1.

РИСУНОК 1 . Физический пакет (слева) и микроволновый резонатор (справа). В комплект входит вакуумная камера, вакуум в которой поддерживается двумя ионными насосами, и камера покрыта тремя слоями магнитного экрана. Внутри камеры находится цилиндрический микроволновый резонатор, изготовленный из титана и покрытый серебром. Цезий распространяется в микроволновую полость от источника. Детекторный лазер проходит через центр резонатора снизу вверх и отражается.

Основой физического пакета является цилиндрический микроволновый резонатор, расположенный в центре вакуумной камеры, показанной на рис. 1. Этот резонатор из титана с посеребренной внутренней поверхностью, показанный на рис. 1 (справа), имеет две функции: одна действует как микроволновый резонатор для опроса микроволн атомами, а другая предназначена для диффузного лазерного охлаждения [10]. Резонатор настроен на резонанс с атомным переходом двух основных состояний цезия на частоте 9,19 ГГц с Q≈4000. Внутренняя поверхность резонатора специально отполирована таким образом, что она диффузно отражает лазеры, сохраняя при этом гладкость микроволнового поля. Рассеянный лазерный свет внутри резонатора генерируется диффузным многократным отражением инжектированных лазеров на внутренней поверхности. Для того чтобы сделать рассеянный свет внутри резонатора однородным, четыре лазерных луча инжектируются через четыре небольших отверстия, равномерно расположенных на торцевой поверхности резонатора [11, 12]. Такое расположение приводит к тому, что диффузное лазерно-охлаждаемое облако атомов концентрируется в середине резонатора [12].

Вакуум поддерживается с помощью двух небольших ионных насосов и газопоглотителя на уровне около 10 ^-7 Па, а вакуумная камера подключена к источнику Cs, температура которого может регулироваться для контроля фоновых паров Cs внутри вакуумной камеры. Снаружи вакуумной камеры есть три слоя магнитных экранов, чтобы удерживать магнитное поле внутри микроволнового резонатора ниже 2 нТл. Зондирующий лазерный луч проходит вдоль центральной оси СВЧ-резонатора от одного конца к другому и отражается обратно, образуя стоячую волну.

2.2 Оптическая скамья

Оптическая система предназначена для лазерного охлаждения, накачки и детектирования, принцип действия показан на рис. 5 с помощью спектроскопии поглощения насыщения, делится на три луча, включая охлаждение, накачку и зондирование. Частота охлаждающего лазера смещается акустико-оптическим модулятором (АОМ) до расстройки около -16 МГц от перехода между F=4→F′=5, как показано в правой части рисунка 2. Лазер накачки смещается АОМ в резонанс с переходом между F=4→F′=4, а зондирующий лазер смещается в резонанс между F=4→F′=5. Другой лазер фиксируется на пике пересечения между F=3→F′=2,4 и смещается с помощью АОМ в резонанс между F=3→F′=4 в качестве луча перекачки. Все AOM также используются для управления временной последовательностью.

РИСУНОК 2 . Принцип оптических систем и уровни энергии. LD обозначает лазерный диод, AOM обозначает акустический оптический модулятор, а Iso обозначает изолятор. LD1 используется для охлаждения, зондирования и откачки. LD2 используется только для перекачки. Оба лазера фиксируются спектроскопией насыщения и смещаются АОМ.

Основные оптические элементы оптической скамьи встроены в алюминиевую пластину, как показано в левой части рисунка 3. Используются обе стороны пластины. Более того, добавляется еще один слой, в основном для дублирующих элементов, включая лазер. Эти элементы можно включать при необходимости.

РИСУНОК 3 . Оптическая скамья (слева) и ее герметизирующая коробка (справа). Все оптические элементы прочно размещены на алюминиевой пластине. Скамья помещена в герметичный бокс, внутри которого длительное время поддерживается давление около 1 атмосферы, когда все часы находятся в вакууме.

Стенд помещен в герметизирующий бокс для стабильной работы в условиях вакуума. Уплотнительная коробка, как показано в правой части рисунка 3, заполнена осушенным воздухом под давлением 1 атмосфера при температуре 23°C. Герметичность тщательно проверяется, чтобы давление внутри коробки сохранялось на уровне около 80 % от исходного в условиях вакуума в течение 10 лет. Такое изменение не влияет на работу оптики.

2.3 Микроволновая электроника и система управления

Вся электроника интегрирована в один блок, включая микроволновую печь и управляющую электронику. Сигнал с частотой 10 МГц от малошумящего кварцевого генератора OCXO синтезируется в микроволновую печь с частотой 9,192 ГГц, которая вводится в резонатор для взаимодействия с диффузными атомами, охлаждаемыми лазером. Два микроволновых импульса используются для опроса холодных атомов, как того требует схема Рэмси.

Система управления использует ПЛИС для управления временной последовательностью, включая лазерное охлаждение, накачку, микроволновый запрос и зондирование, а также для оценки сигнала ошибки обратной связи. Кроме того, система управления также используется для обработки данных для контроля мощности лазера, контроля температуры, контроля магнитного поля и необходимых коммуникаций.

2.4 Сборка

Все блоки собраны в один блок, как показано на рис. 4. Часы в целом полностью функциональны, весят 28 кг при стабильном энергопотреблении около 60 Вт.

РИСУНОК 4 . Собранные часы с холодным атомом для спутниковых приложений. Внизу показана электроника, вверху слева — оптическая система, а вверху справа — пакет физики.

Часы разработаны и протестированы в соответствии с требованиями спутниковой среды. На земле часы проверяются в вакуумной камере с регулируемой температурой, аналогичной камере на спутнике. Когда часы помещаются в вакуум, электроника и физика быстро откачиваются в вакуум, в то время как оптическая скамья все еще находится при 1 атмосфере из-за защиты герметизирующей коробки.

3 Первоначальные испытания и обсуждение

Временная последовательность для нормальной работы часов представлена на рисунке 5. Атомы сначала охлаждаются рассеянным светом в микроволновом резонаторе, обычно время охлаждения и повторной накачки tc,tr≈40 мс для работа часов. После охлаждения все холодные атомы находятся на основном уровне F=4, равномерно распределенные по магнитным подуровням mF=−4,−3⋯3,4. Постоянное магнитное поле напряженностью 100 нТл вдоль оси микроволнового резонатора применяется для разделения магнитных подуровней. Накачка светом используется для перекачки всех холодных атомов из состояния F=4 в F=3 при tp≈1 мс, причем атомы равномерно распределяются по магнитным подуровням за счет накачки диффузным светом. Затем два микроволновых импульса используются для опроса холодных атомов в микроволновом резонаторе при тактовом переходе между F=3,mF=0→F=4,mF=0 при 90,192 ГГц. Постоянное магнитное поле поддерживает опрос, происходящий только между F=3,mF=0→F=4,mF=0 без вмешательства атомов в F=3,mF≠0. Здесь время опроса в нашем тесте фиксировано, T=22 мс, а длительность СВЧ-импульса τp=2 мс. Мощность микроволн тщательно регулируют так, чтобы Ωτp=π/2, где Ω — частота Раби микроволн. Сканирование микроволновой частоты дает полосы Рэмси, как показано на рисунке 6.

РИСУНОК 5 . Временная последовательность работы часов. Охлаждение и повторная накачка должны быть синхронизированы для эффективного диффузного лазерного охлаждения. Короткий импульс накачки используется для подготовки системы к микроволновому опросу. Два микроволновых импульса используются как взаимодействия Рамсея с холодными атомами, а ширина линии полосы Рамсея определяется разделением двух импульсов. Зондирующий свет используется для обнаружения популяции атомов после микроволновых взаимодействий, что напрямую связано с микроволновой частотой.

РИСУНОК 6 . Типичная бахрома Рэмзи. Ширина линии центральной полосы составляет 20,0 Гц, а отношение сигнал/шум – 650.

Полная ширина на полувысоте центральной полосы измерена на частоте около 20,0 Гц, что согласуется с теоретическим значением ∆ν ≈1/2(T+τp)=20,8 Гц. Отношение сигнал/шум составляет около 650, приблизительно измеренное значением сигнала центрального пика полос Рэмси над уровнем шума на рисунке 6, что дает расчетную кратковременную стабильность около 2,4×10-13/τ. .

На рис. 7 показано отклонение Аллана часов холодного атома с диффузным лазерным охлаждением относительно H-мазера. Часы работают в лаборатории с регулируемой температурой при 22 ± 0,5 ° C. Сами часы не имеют активного контроля температуры, но помещены на холодную пластину, температура которой поддерживается на уровне 13 ± 0,5 ° C для отвода тепла. На рис. 7 приведена кратковременная стабильность на уровне 5,97×10–13/τ, что почти в 2,5 раза хуже теоретической оценки. Ухудшение может происходить из-за электронной обратной связи. Ясно показано, что на отклонение влияет окружающая среда, и ожидается, что оно значительно улучшится, если применить активный контроль температуры часов. Дрейф измеряется примерно 8,0 × 10–15 за 1 день.

РИСУНОК 7 . Типичное отклонение Аллана без удаления дрейфа часов по сравнению с H-мазером.

Есть много возможностей для улучшения часов. Текущая временная последовательность управляется для конкретных требований спутникового приложения. Более подходящую временную последовательность можно изменить для повышения производительности.

В условиях микрогравитации время жизни холодных атомов в микроволновом резонаторе намного больше, чем на земле [13]; таким образом, время опроса может быть намного больше, и, таким образом, ширина тактового сигнала может быть намного уже. Более узкая ширина линии приводит к лучшей кратковременной устойчивости, которая, как ожидается, будет на полпорядка лучше, чем на земле.

В условиях микрогравитации эффективность охлаждения в несколько раз выше, чем на земле из-за отсутствия гравитации [3, 14]. Более высокая эффективность приводит к большему количеству холодных атомов и более низкой температуре, что улучшает отношение сигнал/шум тактового сигнала и значительно улучшает кратковременную стабильность. Возможен также

DLC на основе вынужденных сил [15]. С такой новой схемой DLC время охлаждения может быть сокращено даже до менее чем 1 мс, что значительно сокращает время цикла работы часов. Такое снижение приводит к увеличению кратковременной стабильности.

Более того, долговременная работа часов с холодным атомом может выиграть от стабильной среды внутри спутника на орбите.

4 Заключение

Мы успешно разработали спутниковые атомные часы с диффузными атомами, охлаждаемыми лазером, протестировали их в лаборатории с многообещающими характеристиками и даже сравнили с атомными часами глубокого космоса [16]. Часы прошли вибрационные и тепловые испытания и продемонстрировали длительную работу в вакууме. Результаты показывают, что часы с холодным атомом на основе DLC могут быть сконструированы для удовлетворения требований спутникового применения, а их производительность может достигать даже 10–16 за 1 день. В дополнение к надежности, прочности и компактности, часы с холодным атомом с DLC имеют очень малый дрейф и очень высокую точность и, таким образом, являются идеальными часами для навигационной системы и исследования дальнего космоса.

Методы, разработанные в компактных часах с холодным атомом, могут быть использованы в других космических квантовых датчиках на основе холодных атомов.

Заявление о наличии данных

Первоначальные материалы, представленные в исследовании, включены в статью/дополнительный материал; дальнейшие запросы можно направлять соответствующим авторам.

Авторские вклады

Y-LM для физического пакета, X-JJ для тестирования, JW для оптики, M-FY для механического проектирования, H-DC для принципов физики, LNL для электроники и микроволн и LGL для общего.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить Вана Ицю за его многолетнюю поддержку этого проекта. Еще в начале 2000-х, когда люди считали, что атомные часы с лазерами можно использовать только как лабораторный прибор, профессор Ван всегда призывал нас продолжать этот проект. Мы все извлекаем пользу из его глубокого понимания. Теперь мы доказали, что холодные атомные часы достаточно надежны для спутниковых приложений. По случаю его 90-летия авторы хотели бы еще раз поблагодарить профессора Ван Ицю за его помощь в разработке атомных часов в нашей лаборатории.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Примечание издателя

Все претензии, изложенные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно представляют претензии их дочерних организаций или издателя, редакторов и рецензентов. Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или претензии, которые могут быть сделаны его производителем, не гарантируются и не поддерживаются издателем.

Ссылки

1. Меткалф Х.Дж., Ван дер Стратен П. Лазерное охлаждение и захват . Нью-Йорк: Спрингер (1999).

Google Scholar

2. Ван Ц., Ронг В., Ван Ю.З. Стандарт частоты атомного фонтана: принцип и разработка. Acta Phys Sin (2018) 67:163202. doi:10.7498/aps.67.20180540