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

Атомные часы как сверхчувствительный квантовый сенсор

18.02.2022 17:30

1910

Добавить в закладки

В разделе News&Views журнала Nature опубликована статья с комментариями российского физика на исследования научных коллективов Ботвелла и Чжана. Ведущий научный сотрудник ФИАН Ксения Хабарова рассказывает о последних достижениях в области измерения гравитационного красного сдвига с помощью оптических часов.

Для проверки теории относительности когда-то требовались точные часы, разделенные тысячами километров. Сегодня оптические методы сделали такие измерения возможными в атомном кластере размером не более одного миллиметра.

Для измерения гравитационного замедления времени требуются сверхточные часы. Сейчас точность времени определяется атомными часами, которые отсчитывают время с помощью определения энергии перехода между двумя электронными состояниями в атоме.

Новаторское исследование, проведенное в 2010 году, показало, что сравнение двух атомных часов, разделенных по высоте, позволяет измерить гравитационный красный сдвиг в масштабе менее одного метра. Прогресс, о котором сообщили Чжан и соавторы, улучшает этот подход, а Ботвелл с коллегами даже доводят измерение до субмиллиметрового масштаба с помощью ансамбля ультрахолодных атомов стронция, обладающего рекордным временем когерентности.

В ФИАН ведутся разработки нового поколения оптических часов на атомах тулия.

«Мы ориентированы на транспортируемые оптические часы. Поскольку уже продемонстрировано, что гравитационный красный сдвиг можно измерять на расстояниях порядка 1 мм с помощью облака атомов, то наша цель – научиться применять транспортируемые оптические часы для релятивистской геодезии. Таким образом, можно будет перевозить часы с места на место, измерять градиент гравитационного потенциала на планете», — говорит Ксения Хабарова.

Точность современных оптических часов может соответствовать ошибке менее одной секунды за время существования Вселенной. Такая точность стала возможна благодаря тщательному контролю условий эксперимента, эффективно продлевающему время, в течение которого можно предсказать квантовое поведение атомного ансамбля, известное как время квантовой когерентности. Чем больше время когерентности, тем стабильнее и точнее часы.

«Сейчас мы живем в эпоху, когда возникла необходимость измерять малые величины. Мы уже научились определять местоположение человека с точностью меньше 1 метра с помощью спутников ГЛОНАСС и тех атомных часов, которые расположены на земле. Для того чтобы просто ходить или ездить по дорогам, этого достаточно. Дальше увеличивать точность нужно и можно. На данный момент мы еще не дошли до того, чтобы запустить оптические часы на орбиту. Также хотелось бы научиться работать с оптическими часами не только в лабораторных, но и в полевых условиях. Это откроет возможности для релятивистской геодезии. Одно из практических применений транспортируемых оптических часов – поиск полостей в земле или мест с большим скоплением плотного материала, которыми могут быть полезные ископаемые. Для этого в том числе и нужны сверхчувствительные часы».

Рецензия опубликована в Nature News & views

Ksenia Khabarova (2022). Atomic clouds stabilized to measure dilation of time

https://www.nature.com/articles/d41586-022-00379-x

Источник информации и фото: отдел по связям с общественностью ФИАН

Разместила Наталья Сафронова

ФИАН
атомные часы
теория относительности

Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано
Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.

НАУКА ДЕТЯМ

11 ноября – Международный день энергосбережения

17:30 / Физика, Энергетика

В МГУ состоится дискуссия «Преступления против семьи и несовершеннолетних»

16:30 / Наука и общество

В ЛЭТИ смогли на 10% повысить качество диагностики соединений подводных оптоволоконных кабелей

15:30 / Новые технологии

Студенты МИСИС научили искусственный интеллект «писать» пьесы

15:00 / Досуг, Новые технологии

На форуме «Наука за мир и развитие» обсудили научные открытия для сохранения и развития жизни на Земле

14:30 / Наука и общество

Россия 24: Президент РАН Геннадий Красников рассказал Владимиру Путину о потенциале академии наук

14:24 / Наука и общество

Президент РФ В. Путин и глава РАН Г. Красников обсудили роль академии наук в развитии страны

14:14 / Наука и общество

В КФУ разрабатывают интеллектуальную систему для выявления заболеваний винограда

13:30 / Биология

Академиком-секретарем отделения общественных наук РАН избрана академик Т.Я. Хабриева

13:00 / Наука и общество, Персона, Общее собрание РАН 2022

Контролировать выбросы авиадвигателей поможет методика ученых из Пермского Политеха

12:30 / Инженерия, Экология

Памяти великого ученого. Наука в глобальном мире. «Очевиднное — невероятное» эфир 10.05.2008

04.03.2019

Памяти великого ученого. Нанотехнологии. «Очевидное — невероятное» эфир 3.08.2002

04.03.2019

Вспоминая Сергея Петровича Капицу

14.02.2017

Смотреть все

Физики создали атомные часы на многозарядных ионах

Немецкие физики сообщили о создании атомных часов на основе 13-кратно ионизированного атома аргона. Они сверяли частоту перехода между его основным и возбужденным состоянием с частотой, измеряемой стабильными иттербиевыми атомными часами. В результате ученые добились систематической относительной погрешности, сопоставимой с традиционными оптическими атомными часами. Исследование опубликовано в Nature.

Любая физическая система подвержена большому количеству воздействий и процессов, однако их, как правило, можно выстроить в иерархический порядок относительно интенсивности. В первом приближении стоит учитывать только самые значимые процессы, но по мере роста доступной точности все больше из них стоит учитывать. В конечном итоге стабильность работы системы будет характеризоваться отношением интенсивностей полезных взаимодействий к шумовым.

Этот подход наиболее ярко проявляет себя в работе атомных часов. Работа таких устройств основана на точном измерении частоты электромагнитных колебаний, и физики стараются исключить или подавить все возникающие шумы. Другой путь основан на усилении полезных взаимодействий в атомах, а именно связи электронов с ядром, благодаря многократной ионизации. Ученые ожидают, что атомные часы на многозарядных ионах будут обладать большой стабильностью, но до недавнего времени их создание сталкивалось с трудностями, связанными с пленением и охлаждением сильно ионизированных атомов.

Первыми преодолеть эти трудности смогли Стивен Кинг (Steven King) из Физико-технического федерального института в Брауншвейге и его немецкие коллеги. В своей работе они объединили техники по симпатическому охлаждению многозарядных ионов с помощью ионов бериллия в ловушке Пауля, а также по квантовологическому управлению движением и считыванием состояния часовых атомов. В результате они добились систематической относительной погрешности частоты, сопоставимой с погрешностями часов на основе однозарядных ионов или нейтральных атомов.

В роли часовых ионов авторы выбрали бороподобные ионы ⁴⁰Ar¹³⁺ и его изотопы ³⁶Ar¹³⁺. Для производства нужных ионов физики помещали атомы аргона в ловушку и обстреливали их электронным пучком. Итоговый газ содержал ионы различной кратности. Чтобы выделить среди общей массы нужные ионы, физики разгоняли весь ансамбль и отсеивали его по времени пролета до затворного электрона, которое, в свою очередь, чувствительно к отношению заряда к массе. Одиночные ионы с пятью оставшимися электронами физики загоняли в ловушку Пауля, где находились одиночные ионы ⁹Be⁺. Дополнительный (логический) ион помог ученым снизить температуру до милликельвинового уровня и определять внутреннее состояние многозарядного иона.

Физики опрашивали ион аргона на длине волны 441 нанометр, соответствующей переходу из основного в ближайшее возбужденное состояние. Они получали это излучение удвоением частоты диодного лазера на длине волны 882 нанометра, стабилизированного резонаторами и оптической гребенкой. Последняя была привязана к высокостабильному эталонному лазеру с длиной волны 1,5 микрометра. В такой системе стабильность относительной частоты составила 4 × 10^-17 в масштабах времени от одной до ста секунд.

Измеряемую частоту ученые сравнивали с частотой атомных часов на основе иона иттербия, чья относительная систематическая неопределенность была им известна и равна 3 × 10^-18. Эти часы обслуживала отдельная частотная гребенка, которая, однако, была привязана к тому же эталонному лазеру. Это позволило скомпенсировать некоторые систематические ошибки.

В результате долгосрочных измерений (100000 секунд для ⁴⁰Ar¹³⁺ и 50 000 секунд для ³⁶Ar¹³⁺) физикам удалось добиться относительной погрешности частоты, равной примерно 1 × 10^-16. Неопределенность, вызванная систематическими сдвигами, составила около 2,2 × 10^-17, самый существенным из которых оказались нескомпенсированные микродвижения электродов ловушки. Измерение же частоты одновременно у двух изотопов позволило исследовать эффекты ядерной отдачи в многозарядных ионах на девять порядков точнее, чем в существующих работах, а также уточнить квадрупольные моменты и множители Ланде у состояний иона. Новые значения оказались в хорошем согласии с квантовоэлектродинамическими расчетами.

Техника квантовой логики не связана напрямую с квантовыми вычислениями и логическими операциями, как может показаться на первый взгляд. Так называют методы измерения и управлением одним ионом с помощью другого в ловушке. Мы уже рассказывали, как таким способом изучают неупругие соударения.

Физики смогли

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Атомные часы — Квантовая технология

• Поделиться с Facebook

• Поделиться в Твиттере

• Поделиться с LinkedIn

• Поделиться по электронной почте

Часы — это просто устройство, которое отсчитывает повторяющиеся события, например в механических часах маятник может качаться раз в секунду, и, подсчитав количество качаний, можно узнать, сколько секунд прошло. Атомные часы используют атомы, точнее, электронный переход из одного состояния в другое в качестве своего «маятника». Они используют тот факт, что все атомы определенного элемента (например, цезия и рубидия) имеют одинаковую электронную конфигурацию. Таким образом, разные атомные часы, использующие один и тот же элемент, используют один и тот же «маятник», в отличие, например, от разные механические часы, каждый из которых вращает немного другой маятник (из-за неточностей в производственном процессе). По этой причине секунда фактически определяется как ровно 9 192 631 770 циклов цезиевых атомных часов .

Лучшие на сегодняшний день атомные часы настолько точны, что ошиблись бы менее чем за секунду, если бы их включили при рождении Вселенной 13,8 миллиарда лет назад. Мы не можем измерить ничего точнее, чем время.

Вот как в принципе работают атомные часы:

• Электроны, движущиеся вокруг ядра атома, могут занимать лишь небольшое число четко определенных «состояний» с четко определенными энергиями — одно из ключевых открытий, которые привели к Формулировка квантовой механики. В простой модели Бора вы можете представить, что электроны могут двигаться только по небольшому количеству траекторий вокруг ядра, в отличие, например, от планеты Солнечной системы, которые в принципе могут вращаться вокруг центральной звезды на любом расстоянии.
• В атомных часах свет (или обычно электромагнитное излучение) определенной частоты излучается на атом (или, чаще, на охлаждающееся облако атомов). Если частота света правильная (энергия его фотонов точно равна разнице энергий между двумя состояниями), атом поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние. В атомных часах этот процесс повторяется многократно.
• Эффективность возбуждения атома постоянно контролируется, а частота света постоянно корректируется для достижения максимальной эффективности. Таким образом, атомы постоянно «следят» за частотой источника света, которую, в свою очередь, можно подсчитать и использовать для измерения продолжительности события.
• Строго говоря, разность энергий между основным и возбужденным состояниями постоянна только для отдельных, полностью изолированных атомов. Внешние воздействия, такие как электромагнитные поля, могут влиять на энергетические уровни состояний и, следовательно, на частоту перехода. Поэтому атомные часы экранируют с большими затратами и подбирают специальные пары электрических конфигураций, максимально нечувствительных к внешним помехам.

Атомные часы Определение и значение

• Основные определения
• Тест
• Примеры
• Британский
• Научный
• Культурный

Показывает уровень оценки в зависимости от сложности слова.

Сохрани это слово!

Показывает уровень оценки в зависимости от сложности слова.

сущ.

чрезвычайно точные электронные часы, регулируемые по резонансной частоте атомов или молекул некоторых веществ, таких как цезий.

ВИКТОРИНА

ТЫ ПРОПУСТИШЬ ИЛИ НАТЯНУСЬ НА ЭТИ ВОПРОСЫ ПО ГРАММАТИКЕ?

Плавно переходите к этим распространенным грамматическим ошибкам, которые ставят многих людей в тупик. Удачи!

Вопрос 1 из 7

Заполните пропуск: Я не могу понять, что _____ подарил мне этот подарок.

Происхождение атомных часов

Впервые записано в 1935–1940 гг. Энергетическая комиссия, атомно-силовой микроскоп

Dictionary.com Полный текст
Основано на словаре Random House Unabridged Dictionary, © Random House, Inc. 2022

Как использовать атомные часы в предложении

• Атомные часы, которые могут преобразовать путешествия в дальний космос, успешно завершили свой первый испытательный запуск в космосе.

  Атомные часы, которые могут совершить революцию в космических путешествиях, только что прошли первое испытание|Мария Темминг|30 июня 2021|Новости науки

• Сверхточные атомные часы размером с холодильник на земле измеряют время в оба конца, которое может занять несколько часов — для точного определения местоположения космического корабля.

  Атомные часы, которые могут революционизировать космические путешествия, только что прошли первое испытание|Мария Темминг|30 июня 2021|Новости науки

• Это сопоставимо с наземными атомными часами, которые в настоящее время используются для навигации в дальнем космосе, говорит главный исследователь DSAC. Тодд Эли, также из Лаборатории реактивного движения НАСА.

  Атомные часы, которые могут революционизировать космические путешествия, только что прошли свое первое испытание|Мария Темминг|30 июня 2021|Новости науки

• Они также могут позволить создавать мгновенные связи между большими сетями квантовых датчиков или атомных часов, для измерения таких явлений, как гравитационные волны, с беспрецедентным разрешением или обеспечения сверхточного хронометража.

  Испанские ученые стали на шаг ближе к созданию практического квантового ретранслятора|Эдд Гент|14 июня 2021 г.|Singularity Hub атомные часы.

  Ядерные часы могут превзойти атомные часы как самые точные часы|Эмили Коновер|4 июня 2021|Новости науки

• France 24 обеспечивает прямую круглосуточную трансляцию обеих сцен по мере их развития.

  ПРЯМОЙ ЭФИР Репортажи о терактах в Париже||9 января 2015|DAILY BEAST

• Следуя этой цепочке рассуждений до ее логического завершения, путь к достижению мира во всем мире состоит в том, чтобы дать всем атомные бомбы.

  Санта терпит неудачу еще раз|P. Дж. О’Рурк|27 декабря 2014 г.|DAILY BEAST

• Винный погреб — один из лучших в мире — пережил Вторую мировую войну и круглосуточно охраняется.

  Внутри 10 самых старых ресторанов мира|Джастин Джонс|20 декабря 2014 г.|DAILY BEAST

• Говорят, что им нравится плотный график, и они получают удовольствие от круглосуточной работы.

  Как братья по собственности стали любимыми телезвездами вашей мамы|Кевин Фэллон|25 ноября 2014 г.|DAILY BEAST

• Стенограммы слушаний, проведенных Комиссией по атомной энергии в 1954 году, недавно были рассекречены и изучены учеными.

  Я видел ядерный Армагеддон, сидя на своем столе|Клайв Ирвинг|10 ноября 2014 г.|DAILY BEAST

• Ночь тянулась, и часы внизу пробили два часа, когда она внезапно проснулась.

  Поселенец|Оскар Мишо

• Часы пробили десять, и клерки хлынули быстрее, чем когда-либо, каждый в большем поту, чем его предшественник.

  Посмертные записки Пиквикского клуба, т. 2(из 2)|Чарльз Диккенс

• Когда они приблизились, оказалось, что это часы с поднятым парусом и Гоблин, самодовольно сидящий на корме.

  Дэви и Гоблин|Чарльз Э. Кэррил

• В апреле 1852 года над местом, где стоял фонтан, были установлены часы, которые стоили 60 фунтов стерлингов.

  Бирмингемский словарь Шоуэлла|Томас Т. Харман и Уолтер Шоуэлл

• Башня имеет четыре циферблата, вершины по углам и крутую шиферную крышу, а ее высота составляет 120 футов.

  Бирмингемский словарь Шоуэлла | Томас Т. Харман и Уолтер Шоуэлл

Определения атомных часов в Британском словаре

атомные часы

существительное

чрезвычайно точные часы, в которых электрический осциллятор управляется естественными колебаниями атомной или молекулярной системы, такой как цезий или аммиак

Английский словарь Коллинза.
© William Collins Sons & Co. Ltd., 1979, 1986 © HarperCollins
Издатели 1998, 2000, 2003, 2005, 2006, 2007, 2009, 2012

Научные определения атомных часов

атомные часы

Чрезвычайно точные часы, скорость которых регулируется периодическим процессом (таким как вибрация, поглощение или испускание электромагнитного излучения), происходящим с постоянной скоростью в атомах или молекулах. Стандартные атомные часы основаны на колебаниях атомов цезия и настолько точны, что отстают или отстают менее чем на одну секунду за три миллиона лет. Атомные часы используются для отслеживания спутников, запуска навигационных систем и изучения движений земной коры.

Научный словарь American Heritage®
Авторские права © 2011. Опубликовано издательством Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Все права защищены.

Культурные определения атомных часов

атомные часы

Самые точные доступные часы. Время измеряется движением электронов в атомах цезия.