Как выглядят атомные часы: Атомные часы — самые точные, как они работают и зачем нужны

устройство для измерения времени спутниковых и навигационных систем

Вы когда-нибудь замечали, что ваши часы в доме показывают разное время? И как понять, какое из всех вариантов правильное? Ответы на все эти вопросы мы узнаем, досконально изучив принцип работы атомных часов.

Атомные часы: описание и принцип работы

Давайте сначала разберемся, что же собой представляет механизм атомных часов. Атомные часы — это такой прибор, с помощью которого происходит измерение времени, но в нем используют его собственные колебания, как периодичность процесса, а также все происходит на атомном и молекулярном уровне. Отсюда такая точность.

Можно с уверенностью утверждать, что атомные часы самые точные! Именно благодаря им в мире функционирует Internet, GPS-навигация, нам известно точное расположение планет в солнечной системе. Погрешность этого прибора настолько минимальна, что можно уверенно говорить, что они мировые! Благодаря атомным часам происходит вся мировая синхронизация, известно, где находятся те или иные изменения.

Кто изобрел, кто создал, а также кто придумал эти чудо-часы?

Еще в начале сороковых годов ХХ столетия было известно об атомном пучке магнитного резонанса. Сначала его применение никак не касалось часов — это была только теория. Но уже в 1945 году Исидор Раби предложил создать прибор, концепция которого состояла в том, чтобы они работалина основе вышеописанной техники. Но они были устроены так, что показывали не точные результаты. И вот уже в 1949 году National Bureau of Standards оповестило весь мир о создании первых атомных часов, в основу которых легли молекулярные соединения аммиака, а уже в 1952 году были освоены технологии для создания прототипа на основе атомов цезия.

Услышав об атомах аммиака и цезия, возникает вопрос, а не радиоактивны ли эти чудесные часы? Ответ однозначный — нет! В них отсутствует атомный распад.

В наше время есть множество материалов, из которых производят атомные часы. Например, это кремний, кварц, алюминий и даже серебро.

Как работает прибор?

Давайте же разберемся, как выглядят и как работают часы на атомнойэнергии. Для этого предлагаем описание их работы:

Для правильного функионирования именно этих часов необходим не маятник, а также не кварцевый генератор. Они используют сигналы, которые возникают вследствие квантового перехода одного электрона между двумя энергетическими уровнями атома. В результате мы имеем возможность наблюдать электромагнитную волну. Другими словами, мы получаем частые колебания и сверхвысокий уровень стабильности работы системы. Ежегодно за счет новых открытий происходят модернизации процессов. Не так давно специалистыThe NationalInstituteo fStandardsand Technology (NIST)стали рекордсменами, установив абсолютный мировой рекорд. Они смогли довести точность работы атомных часов (в основе был стронций) до самого минимального отклонения, а именно: за 15 млрд. леттам набегает одна секунда. Да-да, вам не показалось, именно такой возраст сейчас присваивается нашей с вами Вселенной. Это колоссальное открытие! Ведь именно стронций сыграл важнейшую роль в этом рекорде. Аналогом «тиканья» выступили перемещающиеся атомы стронция в его пространственной решетке, которую создали ученые при помощи лазера. Как и всегда в науке, на теории все кажется фееричным и уже усовершенствованным, но нестабильность такой системы может оказаться менее радостной на практике. Именно из-за своей нестабильности, мировую популярность получил прибор на цезии.

Теперь рассмотрим, из чего состоит такой прибор. Основными деталями здесь являются:

• квантовый дискриминатор;
• генератор из кварца;
• электроника.

Генератор из кварца — это подобие автогенератора, но для произведения резонансного элемента, в нем применяют пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла.

Имея квантовый дискриминатор и кварцевый осциллятор, под воздействием их частоты происходит их сравнение и при выявлении разницы, схема обратной связи требует от кварцевого генератора подстраиваться под требуемое значение и повышать стабильность и точность. В результате на выходе мы видим на циферблате точное значение, а значит, точное время.

Ранние модели имели довольно большие размеры, однако в октябре 2013 года компания «BathysHawaii«произвела фурор, выпустив миниатюрныеатомные наручные часы. Сначала все восприняли такое заявление как шутку, но вскоре выяснилось, что это действительно правда, и они функционируют на основе атомного источника Цезий 133. Безопасность прибора обеспечивается тем, что радиоактивный элемент содержится в виде газа в специальной капсуле. Фото этого прибора разлетелось по всему миру.

Многих в теме атомных часов интересует вопрос источника питания. В качестве батарейки используется литий-ионный аккумулятор. Но увы, пока неизвестно, на сколько хватит такого аккумулятора.

Часы компании «BathysHawaii» стали действительно первыми атомными наручными часами. Ранее уже были известны случаи выпуска относительно портативного прибора, но, к сожалению, он не имел атомного источника питания, а всего на всего выполнял синхронизацию с реальными габаритными часами по беспроводной радиосвязи. Стоит также упомянуть и о стоимости такого гаджета. Удовольствие было оценено в 12 тыс. долларов США. Было понятно, что с такой ценой часы не обретут широкой популярности, но компания к этому и не стремилась, ведь выпустила их очень ограниченной партией.

Нам известны несколько типов атомных часов. В их конструкции и принципах нет существенных отличий, но все же некоторые отличия все-таки есть. Так, основные заключаются в средствах нахождения изменений и их элементов. Можно выделить следующие типы часов:

1. Водородные. Их суть заключается в том, что идет поддержка атомов водорода на нужном уровне энергетики, а вот стены сделаны из специального материала. Исходя из этого, делаем вывод, что именно водородные атомы очень быстро теряют свое энергетическое состояние.
2. Цезиевые. Основой для них являются пучки цезия. Стоит отметить, что именно эти часы являются самыми точными.
3. Рубидиевые. Они являются самыми простыми и очень компактными.

Как уже говорилось ранее, атомные часы являются очень дорогостоящим гаджетом. Так, карманные часы Hoptroff № 10 — яркий представитель игрушки нового поколения. Цена такого стильного и очень точного аксессуара составляет 78 тыс. долларов. Было выпущено всего 12 экземпляров. В механизме этого прибора используется высокочастотная колебательная система, которая также оснащена GPS-сигналом.

На этом компания не остановилась и именно в своей десятой версии часов хочет применить метод помещения механизма в золотой корпус, который будет напечатан на популярном 3D-принтере. Точно еще не рассчитано, сколько золота будет использовано для такой версии корпуса, но зато уже известна предполагаемая розничная стоимость этого шедевра — она составила около 50 тыс. фунтов стерлингов. И это еще не окончательная цена, хотя в ней учтены все объемы исследований, а также новизна и уникальность самого гаджета.

Исторические факты об использовании часов

Как же рассказывая об атомных часах, не упомянуть о самых интересных фактах, которые связаны с ними и временем в целом:

1. Вы знали, что в древнем Египте были найдены самые старые солнечные часы?
2. Погрешность атомных часов минимальна — она составляет всего 1 секунду на 6 миллионов лет.
3. Все знают, что в минуте — 60 секунд. Но мало кто вникал в то, сколько же миллисекунд в одной секунде? А их не много и не мало — тысяча!
4. Каждый турист, который смог побывать в Лондоне, обязательно стремился увидеть своими глазами Биг Бен. Но к сожалению, не многие знают, что Биг Бен — совсем не башня, а название огромного колокола, который весит 13 тонн и звонит внутри башни.
5. Вы никогда не задумывались, почему стрелки наших с вами часов идут именно слева направо или как мы привыкли говорить «по часовой стрелке»? Этот факт напрямую связан с тем, как движется тень на солнечных часах.
6. Самые первые наручные часы были придуманы в недалеком 1812 году. Их изготовил основатель фирмы Breguet для Неополитанской королевы.
7. До Первой Мировой войны, наручные часы считались только женским аксессуаром, но вскоре из-за своего удобства, они были облюбованы и мужской частью населения.

В прошлом, 2012 году, исполнилось сорок пять лет с того момента, когда человечество решило использовать атомное хронометрирование для максимально точного измерения времени. В 1967 году в Международной категория времени перестала определяться астрономическими шкалами — на смену им пришел цезиевый стандарт частоты. Именно он и получил популярное нынче название — атомные часы. Точное время, которое они позволяют определить, имеет ничтожную погрешность в одну секунду за три миллиона лет, что позволяет использовать их в роли стандарта времени в любом уголке мира.

Немного истории

Сама идея использовать колебания атомов для сверхточного измерения времени впервые была высказана еще в 1879 году британским физиком Уильямом Томсоном. В роли излучателя атомов-резонаторов этот ученый предлагал применить водород. Первые попытки реализовать идею на практике предпринимались лишь в 40-х гг. двадцатого века. А первые в мире работающие атомные часы появились в 1955 году в Великобритании. Их создателем стал британский физик-экспериментатор доктор Луи Эссен. Работали эти часы на основе колебаний атомов цезия-133 и благодаря им ученые наконец смогли измерять время с намного большей точностью, чем было до этого. Первый прибор Эссена допускал погрешность не более секунды на каждые сто лет, однако впоследствии многократно увеличилась и погрешность в секунду может набежать лишь за 2-3 сотни миллионов лет.

Атомные часы: принцип работы

Как же работает это хитроумное «устройство»? В качестве генератора резонансной частоты атомные часы применяют молекул или атомов на квантовом уровне. устанавливает связь системы «атомное ядро — электроны» с несколькими дискретными энергетическими уровнями. Если на такую систему будет воздействовать со строго заданной частотой, то произойдет переход данной системы с низкого уровня на высокий. Возможен также и обратный процесс: переход атома с более высокого уровня на низкий, сопровождаемый излучением энергии. Эти явления можно контролировать и фиксировать все энергетические скачки, создав что-то вроде колебательного контура (его еще называют атомным осциллятором). Его резонансная частота будет соответствовать разности энергий соседних уровней перехода атомов, разделенной на константу Планка.

Такой колебательный контур имеет неоспоримые достоинства по сравнению со своими механическими и астрономическими предшественниками. Для одного такого атомного осциллятора резонансная частота атомов какого-либо вещества будет одинакова, чего нельзя сказать о маятниках и пьезокристаллах. К тому же, атомы не меняют со временем своих свойств и не изнашиваются. Поэтому атомные часы являются чрезвычайно точным и практически вечным хронометром.

Точное время и современные технологии

Телекоммуникационные сети, спутниковая связь, GPS, NTP-сервера, электронные транзакции на бирже, интернет-аукционы, процедура покупки билетов через интернет — все эти и многие другие явления давно уже прочно вошли в нашу жизнь. А ведь если бы человечество не изобрело атомные часы, всего бы этого попросту не было. Точное время, синхронизация с которым позволяет свести к минимуму любые ошибки, задержки и опоздания, дает возможность человеку максимально полно использовать этот бесценный невосполнимый ресурс, которого никогда не бывает слишком много.

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.

Атомные часы являются наиболее точными приборами для измерения времени, которые существуют сегодня, и приобретают все большее значение с развитием и усложнением современных технологий.

Принцип работы

Атомные часы точное время отсчитывают не благодаря радиоактивному распаду, как может показаться по их названию, а используя колебания ядер и окружающих их электронов. Их частоту определяет масса ядра, гравитация и электростатический «балансир» между положительно заряженным ядром и электронами. Это не совсем соответствует обычному часовому механизму. Атомные часы являются более надежными хранителями времени, потому что их колебания не изменяются в зависимости от таких факторов окружающей среды, как влажность, температура или давление.

Эволюция атомных часов

За многие годы ученые поняли, что атомы обладают резонансными частотами, связанными со способностью каждого поглощать и испускать электромагнитное излучение. В 1930-х и 1940-х годах было разработано оборудование для высокочастотной связи и РЛС, которое могло взаимодействовать с частотами резонанса атомов и молекул. Это способствовало возникновению идеи часов.

Первые экземпляры были построены в 1949 году Национальным институтом стандартов и технологий (NIST). В качестве источника вибрации в них использовался аммиак. Однако они оказались ненамного точнее существующего стандарта времени, и в следующем поколении был применен цезий.

Новый стандарт

Изменение точности измерения времени оказалось настолько большим, что в 1967 году Генеральная конференция по мерам и весам определила секунду SI как 9 192 631 770 колебаний атома цезия на его резонансной частоте. Это означало, что время больше не было связано с движением Земли. Наиболее стабильные атомные часы в мире были созданы в 1968 году и использовались в качестве части системы отсчета времени NIST вплоть до 1990-х годов.

Вагон усовершенствований

Одним из последних достижений в этой области является лазерное охлаждение. Это улучшило отношение сигнал — шум и сократило неопределенность в тактовом сигнале. Для размещения этой системы охлаждения и другого оборудования, используемого для улучшения цезиевых часов, потребуется место размером с железнодорожный вагон, хотя коммерческие варианты могут поместиться в чемодане. Одна из таких лабораторных установок отсчитывает время в г. Боулдере, штат Колорадо, и является самыми точными часами на Земле. Они ошибаются лишь на 2 наносекунды в день или на 1 с в 1,4 млн лет.

Сложная технология

Такая огромная точность является результатом сложного технологического процесса. Прежде всего жидкий цезий помещают в печь и нагревают до тех пор, пока он не превратится в газ. Атомы металла на высокой скорости выходят через небольшое отверстие в печи. Электромагниты заставляют их разделиться на отдельные пучки с разными энергиями. Необходимый луч проходит через U-образное отверстие, и атомы подвергаются облучению энергией микроволнового излучения частотой 9. 192.631.770 Гц. Благодаря этому они возбуждаются и переходят в другое энергетическое состояние. Затем магнитное поле отфильтровывает другие энергетические состояния атомов.

Детектор реагирует на цезий и показывает максимум при правильном значении частоты. Это необходимо для настройки кварцевого генератора, управляющего механизмом тактирования. Деление его частоты на 9.192.631.770 и дает один импульс в секунду.

Не только цезий

Хотя наиболее распространенные атомные часы используют свойства цезия, есть и другие их типы. Они отличаются применяемым элементом и средствами определения изменения энергетического уровня. Другими материалами являются водород и рубидий. Атомные часы на водороде функционируют подобно цезиевым, но требуют емкости со стенками из особого материала, препятствующего слишком быстрой потере атомами энергии. Рубидиевые часы наиболее просты и компактны. В них стеклянная ячейка, заполненная газообразным рубидием, изменяет поглощение света при воздействии сверхвысокой частоты.

Кому необходимо точное время?

Сегодня время можно отсчитывать с особой точностью, но почему это важно? Это необходимо в таких системах, как мобильные телефоны, интернет, GPS, авиационные программы и цифровое телевидение. На первый взгляд это не очевидно.

Пример того, как используется точное время, — синхронизация пакетов. Через среднюю линию связи проходят тысячи телефонных звонков. Это возможно только потому, что разговор не передается полностью. Телекоммуникационная компания разделяет его на мелкие пакеты и даже пропускает часть информации. Затем они проходят через линию вместе с пакетами других разговоров и на другом конце восстанавливаются, не смешиваясь. Система тактирования телефонной станции может определять, какие пакеты принадлежат данному разговору, по точному времени отправки информации.

GPS

Другой реализацией точного времени является система глобального позиционирования. Она состоит из 24 спутников, которые передают свои координаты и время. Любой приемник GPS может соединиться с ними и сравнить время трансляции. Разница позволяет пользователю определить свое местоположение. Если бы эти часы были не очень точными, то система GPS была бы непрактичной и ненадежной.

Предел совершенства

С развитием технологий и атомных часов стали заметны неточности Вселенной. Земля движется неравномерно, что приводит к случайным колебаниям продолжительности лет и дней. В прошлом эти изменения остались бы незамеченными, поскольку инструменты для измерения времени были слишком неточны. Однако, к большому разочарованию исследователей и ученых, время атомных часов приходится корректировать для компенсации аномалий реального мира. Они являются удивительными инструментами, способствующими продвижению современных технологий, но их совершенство ограничено пределами, установленными самой природой.

Атомные часы January 27th, 2016

Родиной первых в мире карманных часов со встроенным атомным стандартом времени станет не Швейцария и даже не Япония. Идея их создания зародилась в самом сердце Великобритании у лондонской марки Hoptroff

Атомные или как их ещё называют «квантовые часы» — это устройство, которое измеряет время, используя для этого собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул. Ричард Хоптроф (Richard Hoptroff) решил, что современным джентльменам, которые проявляют интерес к сверхтехнологичным устройствам, пора бы сменить свои карманные механические часы на нечто более экстравагантное и неординарное, а также отвечающее современным урбанистическим тенденциям.

Так, публике были продемонстрированы элегантные по своему внешнему виду карманные атомные часы Hoptroff No. 10, которые могут удивить современное искушённое обилием гаджетов поколение не только своим ретро-стилем и фантастической точностью хода, но и сроком эксплуатации. По заявлению разработчиков, имея при себе эти часы, вы сможете оставаться самым пунктуальным человеком на протяжении не менее 5 млрд лет.

Что еще можно узнать о них интересного …

Фото 2.

Для всех тех, кто никогда не интересовался подобными часами, стоит вкратце рассказать принцип их действия. Внутри «атомного устройства» нет ничего, что напоминало бы классические механические часы. В Hoptroff No. 10 отсутствуют механические детали как таковые. Вместо этого карманные атомные часы оснащаются герметичной камерой, заполненной радиоактивным газообразным веществом, температура которого находится под контролем специальной печи. Точный отсчёт времени происходит следующим образом: лазеры возбуждают атомы химического элемента, являющегося своего рода «наполнителем» часов, а резонатор фиксирует и измеряет каждый атомный переход. Сегодня базовым элементом подобных устройств является цезий. Если вспомнить систему единиц СИ, то в ней значение секунды связно с количеством периодов электромагнитного излучения при переходе атомов цезия-133 с одного на другой энергетический уровень.

Фото 3.

Если в смартфонах сердцем устройства считается процессорный чип, то в Hoptroff No. 10 данную роль берёт на себя модуль-генератор эталонного времени. Его поставкой занимается фирма Symmetricom, а сам чип изначально был ориентирован на использование в военной отрасли — в беспилотных летательных аппаратах.

Атомные часы CSAC снабжены термостатом с регулированием температуры, внутри которого содержится камера с парами цезия. Под воздействием лазера на атомы цезия-133 начинается их переход из одного энергетического состояния в другое, для измерения которого используется СВЧ-резонатор. С 1967 года Международная система единиц (СИ) определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Исходя из этого, сложно себе представить более точные с технической точки зрения часы на цезиевой основе. Со временем, учитывая последние достижения в области измерения времени, точность новых оптических часов на базе иона алюминия, пульсирующего с частотой ультрафиолетового излучения (в 100 000 раз превышающей микроволновые частоты цезиевых часов), в сотни раз превысит точность атомных хронометров. Выражаясь доступным языком, погрешность хода новой карманной модели No.10 от Hoptroff составляет 0,0015 секунды в год, что в 2,4 миллиона раз превышает стандарты COSC.

Фото 4.

Функциональная сторона устройства также на грани фантастики. С его помощью можно узнать: время, дату, день недели, год, широту и долготу в разных величинах, давление, влажность, звездные часы и минуты, прогноз приливов и многие другие показатели. Часы поставляются в золотом исполнении, а для создания их корпуса из драгоценного металла планируется использовать трехмерную печать.

Ричард Хоптроф искреннее полагает, что именно данный вариант производства своего детища является наиболее предпочтительным. Чтобы немного изменить дизайнерскую составляющую конструкции, вовсе не нужно будет перестраивать производственную линию, а использовать для этого функциональную гибкость печатающего 3D-устройства. Правда, стоит отметить, что показанный прототип часов был изготовлен классическим способом.

Фото 5.

Время нынче стоит очень дорого, а карманные часы Hoptroff No. 10 — тому прямое подтверждение. По предварительной информации, первая партия атомных устройств составит 12 единиц, а что касается стоимости, то цена за 1 экземпляр будет составлять $78 000.

Фото 6.

По словам Ричарда Хоптроффа, управляющего директора марки, лондонская прописка Hoptroff сыграла ключевую роль в возникновении этой идеи. “В своих кварцевых механизмах мы используем высокоточную колебательную систему с сигналом GPS. Но в центре Лондона не так-то просто поймать этот самый сигнал. Однажды во время поездки в Гринвичскую обсерваторию я увидел там атомные часы Hewlett Packard и решил приобрести себе нечто подобное через Интернет. И не смог. Вместо этого мне на глаза попалась информация о чипе компании Symmetricon, и после трех дней раздумий я понял, что он прекрасно подойдет для карманных часов”.

Чип, о котором идет речь, представляет собой цезиевые атомные часы SA.45s (CSAC), принадлежащие к первому поколению миниатюрных атомных часов для GPS-приемников, ранцевых радиостанций и беспилотных аппаратов. Несмотря на свои скромные габариты (40 мм х 34,75 мм), в наручные часы он все же вряд ли поместится. Поэтому Хоптрофф решил оснастить ими карманную модель довольно солидных размеров (82 мм в диаметре).

Помимо звания самых точных часов в мире, Hoptroff No 10 (десятый по счету механизм марки) претендует также на первый золотой корпус, изготовленный с использованием технологии 3D-печати. Хоптрофф пока не может с точностью сказать, сколько золота потребуется для изготовления корпуса (работа над первым прототипом завершилась, когда номер уже ушел в печать), но предполагает, что его стоимость составит “минимум несколько тысяч фунтов”. А учитывая весь тот объем научных исследований, потребовавшихся для разработки продукта (взять хотя бы функцию расчета приливов и отливов по гармоническим постоянным для 3 тыс. различных портов), можно ожидать, что его конечная розничная цена составит около 50 тыс. фунтов стерлингов.

Золотой корпус модели No 10 на выходе из 3D-принтера и в готовом виде

Покупатели автоматически становятся членами эксклюзивного клуба и должны будут подписать письменное обязательство не использовать чип атомных часов как оружие. “Это одно из условий нашего договора с поставщиком, — объясняет г-н Хоптрофф, — поскольку изначально атомный чип применялся в системах наведения ракет”. Не так уж много за возможность получить часы с безупречной точностью.

Счастливые обладатели No.10 от Hoptroff получат в свое распоряжение гораздо больше, чем просто высокоточные часы. Модель также выполняет функцию карманного навигационного устройства, позволяющего определить долготу с точностью до одной морской мили даже после многолетнего пребывания в море при помощи простого секстанта. Модель получит два циферблата, однако дизайн одного из них пока держится в секрете. Другой же представляет собой круговерть счетчиков, отображающих целых 28 усложнений: от всех возможных хронометрических функций и указателей календаря до компаса, термометра, гигрометра (прибора для измерения уровня влажности), барометра, счетчиков широты и долготы и индикатора времени прилива/отлива. И это не говоря уже о жизненно важных индикаторах состояния атомного термостата.

У Hoptroff в планах производство ряда новых продуктов, в числе которых электронная версия легендарных усложненных часов Space Traveller Джорджа Дэниэлса. Сейчас над ними ведется работа, цель которой — интегрировать в часы технологию Bluetooth для сохранения личной информации владельца и обеспечения автоматической настройки таких усложнений, как индикатор фаз Луны.

Первые экземпляры No.10 появятся уже в следующем году, а пока компания занимается поиском подходящих партнеров среди ретейлеров. “Мы, конечно, могли бы попытаться продавать их через Интернет, но это модель премиум-класса, поэтому, чтобы по достоинству оценить эти часы, их все же нужно подержать в руках. А значит, нам все-таки придется воспользоваться услугами ретейлеров, и мы готовы начать переговоры”, — говорит в заключение г-н Хоптрофф.

И даже
Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф
Ссылка на статью, с которой сделана эта копия —

Ученые создали самую синхронизированную пару часов в истории

Ученые поставили рекорд, создав самую синхронизированную пару часов в истории. Это позволит проверить тончайшие свойства пространства и времени и дает шанс на создание новых технологий, о которых мы можем только гадать

Американские физики из Висконсинского университета в Мадисоне отчитались в журнале Nature о выдающемся достижении. Они создали несколько атомных часов, идущих невероятно синхронно. Чтобы набрать разность показаний в одну секунду, им понадобилось бы 300 млрд лет непрерывного хода. Такая синхронизация должна помочь экспериментаторам ловить гравитационные волны, а может быть, и таинственную темную материю. 

Не думай о секундах свысока

Народная мудрость гласит, что тот, у кого только одни часы, всегда знает, сколько времени. Обладатель же нескольких часов ни в чем не уверен.

Но сегодня время — это деньги в самом буквальном смысле. Игру на бирже давно ведут не люди, а скоростные компьютеры. Компании не скупятся на прокладку тысячекилометровых оптоволоконных линий, дающих электронным игрокам фору в тысячные доли секунды. Судьба огромных состояний зависит от точного ответа на вопрос, который час.

Впрочем, дело не только в биржевых роботах. Измерение времени с точностью до крошечных долей секунды необходимо для работы спутниковой навигации, современной радиосвязи и многого другого. 

Отлаженное тиканье сердца мировой экономики обеспечивают атомные часы. Синхронизируя время с интернетом, ваш компьютер или смартфон обращается к шкале международного атомного времени. Оно вычисляется по показаниям сотен атомных часов, разбросанных по десяткам лабораторий всего мира.

Материал по теме

Как тикают атомы

Работа таких устройств основана на фундаментальном свойстве вещества. Электрон в атоме может иметь разную энергию, но не какую угодно. Есть строго определенные разрешенные значения энергии (энергетические уровни, как говорят физики). Электрон может находиться на любом из этих уровней, но не между ними. Удобная аналогия: человек может жить на первом этаже, а может и на восьмом, но никто не живет на первом с половиной или втором с четвертью.

Чтобы подняться на более высокий энергетический уровень, электрон должен поглотить квант электромагнитного излучения (например, света) строго определенной частоты. Спускаясь обратно, он испускает такой же квант.

Остается вспомнить, что такое частота электромагнитной волны. Это количество гребней волны, проходящих через фиксированную точку пространства за одну секунду. Величина, обратная к частоте — период световой волны. Это промежуток времени между прохождениями двух последовательных гребней.

Частота излучения, соответствующего переходу между двумя конкретными энергетическими уровнями, всегда одна и та же. Она настолько стабильна, что период испускаемого атомом излучения — лучший эталон времени. Не случайно официальное определение секунды, утвержденное XIII Генеральной конференцией по мерам и весам еще в 1967 году, звучит так: секунда — время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Это и есть основной принцип работы атомных часов. Мишень из особого вещества (обычно цезия, стронция или другого подобного металла) облучается лазером. Это излучение имеет очень узкий диапазон частот. В этом диапазоне есть и та самая частота, которая заставляет электроны мишени перейти на следующий энергетический уровень. Спустя небольшой промежуток времени электроны возвращаются обратно, испуская волны эталонной частоты и, следовательно, эталонного периода.

Материал по теме

Вежливость королей

Теоретически атомные часы могут отмерять промежутки времени, равные периоду электромагнитной волны (наносекунды для радиоволн, фемтосекунды для света) и работать сколь угодно стабильно, никогда не отставая и не спеша. В реальности, конечно, все гораздо сложнее. Атомные часы, работающие при комнатной температуре, достигли предела точности и стабильности в середине 1990-х. Уже тогда они были так стабильны, что им потребовалось бы 6 млн лет, чтобы отстать на одну секунду. Но человечеству и этого было мало, и технологию улучшали, охлаждая мишень почти до абсолютного нуля (благо она может состоять всего лишь из нескольких тысяч атомов). Сегодня атомные часы, используемые, например, в Национальном институте стандартов и технологий США, имеют расстройку в одну секунду за 100 млн лет.

Есть ли смысл улучшать эти цифры, которые и без того выглядят фантастическими? Да. Прежде всего этого хотят физики-экспериментаторы, которым мало всего и всегда, в том числе и нынешних параметров атомных часов. Ведь чем совершеннее экспериментальная техника, тем шире круг явлений, которые можно изучить.

Спутниковая навигация тоже стала бы точнее с более стабильными часами. Можно придумать еще несколько применений, но это наверняка лишь вершина айсберга. Технологии часто раскрывают свой потенциал только в связке с другими технологиями. Скажем, небоскребов не было бы без железобетона, но их не было бы и без лифта и даже без кондиционера. И вряд ли изобретатель кондиционера думал о небоскребах. Поэтому мы, скорее всего, и представить себе не можем, какое место не существующие пока суперчасы займут в технологических пакетах послезавтрашнего дня.

Что же мешает сделать атомные часы еще более совершенными? Основной ограничивающий фактор — качество лазеров.

Нельзя сказать, что в атомных часах используются лучшие лазеры, созданные человечеством. Но лазер класса люкс немедленно аукнется возросшей стоимостью. А между тем даже стандартные атомные часы весьма недешевы. На 2020 год объем рынка этих устройств оценивался в $230 млн, при том, что это продукт в лучшем случае мелкосерийный, чтобы не сказать — штучный. К тому же лазеры с самым узкополосным и стабильным лучом весьма громоздки, и их нельзя использовать, например, на спутниках.

Материал по теме

Согласие важнее правды

Физики из Висконсина обошли эту проблему остроумным образом. Они облучали одним и тем же лазером два облака атомов стронция, находящиеся в разных точках экспериментальной камеры. Таким образом они фактически получили два экземпляра атомных часов по цене одного. Ученые использовали лазер среднего по меркам экспериментальной физики качества. Неизбежный шум в лазерном луче несколько нарушал ход часов. Но в обоих облаках стронция эти искажения были одинаковыми, поскольку луч был один и тот же. 

Другими словами, часы не были идеальным эталоном времени, но были почти идеально синхронизированы между собой. Повторим уже звучавшую цифру: разность хода в одну секунду они набрали бы за 300 млрд лет. Это на порядки превышает стабильность атомных часов самих по себе. И это мировой рекорд по синхронизации часов, находящихся в разных точках пространства.

В дальнейшем экспериментаторы разделили стронций уже на шесть частей и убедились, что и шестерка атомных часов работает столь же согласованно.

Для чего могут понадобиться часы, которые как бы договорились между собой ошибаться одинаково? Например, для проверки тонких свойств пространства-времени. Некоторые явления, в частности, гравитационные волны должны заставить один из экземпляров часов «нарушать договор», причем заранее предсказанным образом. Не исключено, что таким путем удастся уловить даже частицы таинственной темной материи. 

Некоторые эксперименты можно провести уже сейчас. Так, в том же номере журнала Nature опубликована статья другой команды исследователей. Они впервые наблюдали один из эффектов общей теории относительности Эйнштейна (гравитационное красное смещение) на расстояниях в несколько миллиметров. Этот эффект так слаб, что легко наблюдается лишь на астрономических масштабах. Чтобы перейти от килопарсеков к миллиметрам, понадобились атомные часы с первоклассным лазером. Он на несколько порядков лучше использованного физиками из Висконсина. Однако последние рассчитывают в ближайшее время воспроизвести этот опыт, компенсируя недостатки своего лазера «размножением» часов. Наверняка это только начало в новом направлении исследований пространства и времени, которое открывает перед нами эта великолепная технология.

от атомных часов до квантовых мозгов

Сергей Комаров,
кандидат физико-математических наук
«Химия и жизнь» №9, 2020

Рубидий каким-то странным образом оказался широко задействован в тех технологиях, что находятся на пике науки, если оценивать остроту этого пика числом участвующих в работе нобелевских лауреатов. Более того, он может сыграть ключевую роль в квантовых цифровых технологиях, которые определят нашу жизнь в XXI, а может быть, и в XXII веке. Другим металлам повезло меньше.

Рубидиевые часы

Великая французская революция, помимо прочего, положила начало созданию всемирных эталонов физических величин. Так, решением Национального Конвента от 1795 года было указано, как определить эталоны длины и веса. Первый, метр, стал одной сорокамиллионной частью длины Парижского меридиана, к тому времени уже измеренной, а второй, килограмм, — весом одного кубического дециметра воды, взвешенного опять же в Париже (будь измерения на экваторе или полюсе — эталон стал бы немного другим из-за различий силы тяжести). А вот эталон секунды Конвент не определил. Видимо, в то время всех вполне устраивало деление суточного периода обращения Земли вокруг своей оси на часы, минуты, а затем и секунды.

Однако мудрецы смотрели в будущее, и вот в 1873 году англичанин Джеймс Максвелл, незадолго до того написавший свои знаменитые уравнения электродинамики, высказал мысль: «Более универсальную единицу времени можно найти, взяв периодическое время колебаний определенного вида света». В то время не было никакой возможности хоть как-то измерить это время, но идея не была забыта и воскресла уже в ХХ веке, когда для развивающейся технологии телекоммуникаций потребовались точные эталоны времени; в его качестве американский физик Айзек Раби, получивший Нобелевскую премию в 1944 году, предложил использовать частоту перехода между разными квантовыми состояниями атома какого-то элемента и построить на этом принципе атомные часы. Такая постановка задачи во многом предопределила выбор рабочего тела часов: это водород и щелочные металлы. У них атомы устроены проще всего: один-единственный электрон на внешней оболочке, и, стало быть, число возможных квантовых состояний не очень велико. Ну а из числа щелочных металлов выбор упал на самые тяжелые — цезий и рубидий, ведь чем тяжелее атом, тем труднее его вывести из равновесия: стабильность таких часов должна быть больше, нежели при использовании легких атомов.

Первые рубидиевые часы в 1958 году собрал в Принстоне Кэррол Элли, аспирант из группы того самого Роберта Дикке, который очень много сделал для создания современной космологии и, в частности, обнаружения реликтового излучения, однако ни одну нобелевскую премию не получил (см. «Химию и жизнь» № 12, 2019).

В этих часах газ атомов рубидия в оптической ячейке освещают рубидиевой лампочкой. В исходном квантовом состоянии атомы газа поглощают свет. Однако состояние можно изменить микроволновым излучением. Оператору часов (сейчас это делает электроника) остается только крутить ручку прибора, меняя частоту излучения: когда она достигнет резонанса с частотой перехода между состояниями атома рубидия, те перестанут поглощать свет, и он свободно пройдет сквозь газ, что и зафиксирует фотодетектор. Найденная частота окажется эталоном для поверки приборов измерения времени, которым требуется атомная точность. А что это за приборы? Это основа нынешнего цифрового мира: атомные часы обеспечивают точность и синхронность работы радаров, оборудования и самой передачи данных в высокоскоростных вычислительных сетях, системах связи и спутниковой навигации. Обеспечивают они и стабильную работу высокоточных электронных приборов, без которых никакая высокая технология невозможна.

Придуманная в лаборатории Дикке конструкция стала основой многочисленных современных рубидиевых часов. Их точность в сто раз меньше, чем у альтернативных, цезиевых, поэтому такие часы не могут служить первичным эталоном для установления стандартов измерения времени. Зато их можно сделать очень маленькими — миниатюрные рубидиевые наночасы не намного больше, чем обычные наручные, стоят они несколько тысяч долларов, а служат около четверти века. Из-за этих достоинств рубидиевые часы используют в большинстве приборов, где феноменальная точность в подстройке частоты не нужна. Для сравнения: современные цезиевые часы, которые служат первичным эталоном, а работают на другом принципе, представляют собой металлический ящик размером в полметра, весом в четверть центнера и стоят под сто тысяч долларов. Срок их службы 5–10 лет; точность составляет 10⁻¹² секунды.

В особо ценных приборах, впрочем, применяют сразу несколько типов атомных часов, и это оправданно. Возьмем спутниковую систему навигации. Для нее корректная работа часов на всех спутниках системы жизненно важна — иначе рассчитываемые координаты объектов будут неточны. Однако что если эталон времени, расположенный на спутнике, выйдет из строя? Починить его нельзя и, значит, придется менять спутник, а это дорого. Поэтому на таких спутниках стоит по нескольку цезиевых и рубидиевых часов. И эта предосторожность не лишняя — часы действительно выходят из строя чаще, чем хотелось бы.

Пары из цезиевых и рубидиевых часов используют и для проверки фундаментальных свойств нашего мира. Для чего так? Цезиевые часы — эталон времени, построенный на том допущении, что энергия перехода между состояниями атомов не меняется. Но если они зависят от каких-то внешних воздействий, то каким сравнением и каким образцом это можно проверить? Рубидиевые часы и стали образцом для проверки эталона.

Казалось бы, что может изменить столь фундаментальное качество материи, как частота переходов в атоме? Однако из Общей теории относительности следует, что время течет тем медленнее, чем больше сила тяжести. Значит, в разных местах планеты показания одних и тех же атомных часов будут разными из-за различия гравитации. Вопрос — достаточно ли точности, чтобы это заметить?

Гравитационное замедление времени — известный и доказанный феномен, однако сравнением хода разных атомных часов можно попытаться поискать неизвестные феномены, существующие в рамках альтернативных теорий гравитации. Так, Элли, запуская пары цезиевых и рубидиевых часов на самолетах, искал различия скорости света при движении в направлениях с востока на запад и с запада на восток, однако не преуспел в этом деле. Видимо, точности не хватило. Сейчас найти фундаментальные расхождения в разных способах измерения времени пытаются, сравнивая показания гораздо более точных цезиевых и рубидиевых фонтанных часов. Что это за способ измерения времени? Он неразрывно связан с прогрессом в постижении сверххолодного мира, где роль рубидия особенно велика.

Холодный фонтан

В рубидиевых часах газ быстро движущихся атомов заполняет ячейку и никуда из нее не перемещается. В более точных цезиевых часах используют горизонтально движущийся пучок атомов. Однако в самом начале практической деятельности по созданию атомного эталона времени была еще одна интересная идея: использовать фонтан из атомов. Его Джерролд Захариос из лаборатории Айзека Раби в Массачусетском университете предложил в 1954 году, еще до того, как сделал первые цезиевые часы «Атомихрон». Суть в том, что облачко атомов, сначала взлетая, а затем падая под действием гравитации, дважды проходит полость с микроволнами, где происходит изменение квантовых состояний атомов, и, таким образом, эффективность системы возрастает по сравнению с горизонтальным пучком. Идея, как показало будущее, была прекрасной, но исполнение в то время — отвратительным: атомы были слишком горячие (их скорость движения десятки метров в секунду), они быстро разлетались в разные стороны, облачко исчезало, и, в общем, опыт не удался.

Однако идея не забылась, и к ней вернулись после того, как в 1987 году нобелевский лауреат 1997 года Стивен Чу создал первую оптическую патоку для торможения атомов: скрестив шесть лазерных лучей, он сформировал облачко из очень холодных атомов, с температурой в миллионные доли градуса. И вот в 1996 году в Лаборатории времени и частот при Парижской обсерватории сделали первые часы на цезиевом фонтане. В них созданное оптической патокой облачко из десятков миллионов атомов цезия бережно подбрасывали лазером на метр вверх, и оно медленно опускалось, проходя сквозь микроволновой излучатель. Тот менял состояния атомов, и стоящий ниже лазер заставлял их светиться тем ярче, чем ближе частота микроволн была к резонансной. Все путешествие атомов вверх-вниз очень длительное — около секунды, что и обеспечило точность эталона времени в 10⁻¹⁵ секунд. Узнав об этом прорыве, свои фонтаны соорудили в ФРГ и США, затем в Италии; сейчас точное время планеты устанавливают усреднением по нескольким часам-фонтанам.

За прошедшее время точность часов возросла многократно. Так, у фонтана NIST-F1 в американском Национальном институте стандартов ошибка составляет 3 · 10⁻¹⁶ с, то есть отставание на одну секунду у них набегает за сто миллионов лет. Однако нет предела совершенству, и тут опять рубидий может пригодиться. Часы-фонтаны, к сожалению, крайне ненадежны. Из-за нестабильности лазеров, микроволновых излучателей, атомных облаков ни один фонтан не работает непрерывно дольше десяти дней. У рубидия размер атома существенно меньше, чем у цезия, и поэтому его атомы в холодном облачке реже сталкиваются, нагревая друг друга соударениями. Поэтому хотя бы с нестабильностью внутри облака атомов рубидий, возможно, станет справляться лучше, что позволит более широко использовать фонтанные часы. Пока что, впрочем, рубидиевые фонтанные часы, как уже было сказано, пытаются использовать не для измерения времени, а в паре с цезиевыми для проведения тонких физических экспериментов.

Сверххолод

Если в холодных часах рубидий лишь конкурент цезия, то при погружении исследователей в область сверххолода рубидий оказался вне конкуренции: именно из его атомов в июне 1995 года Карл Виман и Эрик Корнелл из Объединенного института лабораторной астрофизики Колорадского университета создали первый, полностью рукотворный конденсат Бозе — Эйнштейна. То есть, отбирая тепло у атомов с помощью света, охладили их до температуры в наноградусы. При таком охлаждении волновые пакеты атомов перекрылись, и все они, потеряв индивидуальность, стали одним цельным объектом (напомним, что из квантовой механики следует: любой материальный объект, и атом, и человек, и планета, — всё это волны материи, их называют волнами де Бройля). За создание этого нового состояния материи Виман и Корнелл в 2001 году стали нобелевскими лауреатами вместе с Вольфагангом Кеттерле, работавшим тогда в Массачусетском технологическом институте, но с атомами натрия.

За четверть века, прошедшие с тех пор, было поставлено множество опытов с этой новой формой материи, благо аппаратура для получения конденсата не столь уж и дорога, ведь для этого всего-то нужны хороший вакуум, несколько магнитов, не очень мощных лазеров и система управления ими. В попытках обнаружить интересные квантовые эффекты исследователи многих лабораторий делали конденсаты из атомов более чем дюжины элементов, на конденсаты влияли полями, светом, их швыряли с силой о подложку, сливали друг с другом, заставляли проходить один сквозь другой, в общем, всячески проявляли свою фантазию. Главное — придумать, какую еще тайну может раскрыть манипуляция с этим необычным состоянием вещества, ведь при его исследовании пока что главной движущей силой остается не практическая выгода, а чистое научное любопытство.

Конденсат в космосе

Аппаратура для получения конденсатов достигла высокой степени совершенства: если нобелевские лауреаты со своими студентами сутками ее настраивали ради секундного опыта, то теперь для этого достаточно нажать одну кнопку и через несколько секунд можно смотреть на поведение конденсата. Подобную легкую в управлении установку для получения конденсата из атомов рубидия смонтировали на борту Международной космической станции (МКС), и летом 2018 года провели первые опыты.

Перенос опытов на орбиту вызван уже не столько любопытством, сколько жизненной необходимостью: точность экспериментов при работе с конденсатом Бозе — Эйнштейна стала столь большой, что гравитация Земли начинает мешать. Обычно атомы газа, находящиеся в тепловом движении, гравитацию не замечают — сила столкновений их между собой обеспечивает сохранение газообразного состояния. Однако, когда атомы охлаждены до миллионных долей градуса, энергия теплового движения оказывается ничтожной. Тогда гравитация становится значимым фактором и холодные атомы падают вниз. Это плохо: приходится прикладывать снизу дополнительную силу, которая компенсирует гравитацию, что вносит нежелательные изменения в форму конденсата — он расплющивается. Второй недостаток: быстрое падение конденсата при отключении оптической ловушки; как правило, он долетает до дна установки за десятые доли секунды. И это тот интервал времени, в течение которого его можно изучать. Чтобы продлить время изучения, нужно строить высокую камеру, а чем больше ее объем, тем дороже установка, ведь для экстремального охлаждения нужен очень глубокий вакуум.

Выход нашли: нужно бросать с большой высоты саму капсулу, где сформирован конденсат. Так, например, сделали в 2012 году немецкие исследователи, используя специальную башню бременского Центра прикладной космической технологии и микрогравитации, ее высота — 146 метров. За 4,7 секунды полета конденсат из 10 тысяч атомов рубидия-87 не только успели разделить пополам, но потом еще сложить эти половинки, а также заснять возникшую картину интерференции волн материи. Схожие опыты проводили в пикирующих самолетах и в баллистических ракетах, где время эксперимента достигает шести минут. Очевидно, что такие эксперименты не могут быть лабораторной рутиной, однако они дали достаточно убедительные результаты, чтобы ставить вопрос о переносе работы в космос.

Два года деятельности установки на МКС (а она формирует конденсаты из атомов рубидия в автоматическом режиме по ночам, когда космонавты спят и меньше раскачивают станцию) показали, что решение было правильным. Орбитальные конденсаты содержат в три раза больше атомов, чем во время испытаний на Земле, а время их жизни после раскрытия ловушки стабильно превышает одну секунду. Кроме того, удается добиться более глубокого охлаждения, ведь при отсутствии гравитации можно приоткрывать ловушки, высвобождая слишком горячие атомы.

Сейчас космический рекорд сверххолода составляет 300 триллионных долей градуса выше абсолютного нуля, а в ближайших планах — снизить эту температуру в десять раз, а время жизни высвобожденного из ловушки конденсата поднять до пяти секунд. С такими параметрами рубидиевый конденсат становится чрезвычайно чувствительным прибором. С его помощью физики хотят решить несколько фундаментальных задач, главная из которых проверка принципа эквивалентности Эйнштейна: инерционная масса тела, которая проявляется при механическом движении, эквивалентна гравитационной массе, осуществляющей деформацию пространства-времени. Другие фундаментальные задачи: детектирование частиц темной материи и гравитационных волн. Есть и практические задачи: прецизионное картографирование гравитационного поля Земли, точнейшие датчики движения, повышение качества навигационных систем, ну и точнейшие атомные часы космического базирования.

Еще одно использование рубидиевого конденсата — приготовление сверххолодных молекул из атомов щелочных металлов. Обычно из них молекулу создать нельзя — тепловое движение разорвет связь таких атомов. Но в сверххолодном мире это становится возможным: атомы образуют пары. Как правило, партнером рубидия-87 в таких опытах оказывается калий-40.

Несмотря на глубокое охлаждение, молекулы могут, сталкиваясь друг с другом, реагировать и распадаться. Однако есть квантово-механическая управа и на такие реакции. У атома калия-40, в отличие от Rb-87, имеется полуцелый спин. То есть он подчиняется не статистике Бозе — Эйнштейна, а Ферми — Дирака, где работает принцип запрета Паули: два атома не могут занимать один и тот же энергетический уровень. Поэтому калий-40 неспособен давать конденсат, где все атомы холодного облачка оказываются на одном уровне. Зато облачко из калия-40 может перейти в состояние ферми-газа, когда составляющие его атомы занимают без промежутков все имеющиеся энергетические уровни, начиная с самого нижнего. Соединив холодный калиевый газ с рубидиевым конденсатом, американские исследователи из Колорадского университета в 2018 году сделали вырожденный газ из молекул KRb. В нем, чтобы прореагировать, молекуле требуется энергия, достаточная для прыжка через все занятые уровни. А такой энергии в холодной системе неоткуда взяться. Газ из сверххолодных молекул интересен тем, что с его помощью можно изучать как квантовые аспекты химии, так и проблемы симметрии Вселенной; могут они пригодиться и в создании квантовых вычислителей — у молекул гораздо больше степеней свободы, чем у других претендентов: атомов и ионов, и этим можно воспользоваться.

Квантовые мозги

В знаменитой саге Айзека Азимова про роботов у этих искусственных существ были позитронные мозги. Не исключено, что у реальных роботов будущего мозги будут рубидиевыми. Дело в том, что ученые, занимающиеся квантовыми технологиями, уже научились сплетать из сверххолодных атомов рубидия оптическую паутину, способную вполне надежно выполнять квантовые логические операции. Возможно, в недалеком будущем из них построят квантовый компьютер. Для арифметических расчетов он не очень подходит, а разгадывать логические головоломки, например вскрывать коды шифрования, должен с непревзойденной скоростью. Роботу для ориентации в житейских ситуациях способность разгадывать головоломки подходит больше, чем умение решать в уме какие-то физические уравнения. Как ситуация с перспективами рубидиевых мозгов выглядит сегодня?

Квантовые операции в них станет выполнять система из простых и ридберговских атомов рубидия. Их так назвали вовсе не потому, что швед Йоханнес Ридберг в 1888 году открыл такие атомы. Нет, в том году он предложил формулу для расчета спектральных линий. Как выяснилось позднее, формула описывает водородоподобный атом, в котором электроны вращаются вокруг ядра подобно планетам. Для атомов большинства элементов это несправедливо, но можно создать ситуацию, когда любой атом станет подобным водороду.

Возьмем атом того же рубидия. У него внешний электрон находится на пятой s-орбитале. Если атом так возбудить, что внешний электрон перелетит на орбиталь с двух-трехзначным номером, то для столь далекого электрона вся остальная часть атома станет похожей на единичный протон. Возбужденный атом, где электрон оказался очень далеко от ядра, теперь называют ридберговским. Диаметр орбиты возбужденного электрона у него огромен, измеряется микронами, тогда как размер невозбужденного атома — долями нанометра. Став ридберговским, атом начинает заметно влиять на многих своих соседей, даже если они распложены на ранее недосягаемой дистанции. Например, когда электрон оказывается на сотой орбитале, сила его взаимодействия с атомами в радиусе 10 микрон оказывается в триллионы раз больше, чем у невозбужденного атома. Получается: попросту возбуждая электроны внешним воздействием (например, лазером), как мановением волшебной палочки, можно мгновенно триллионнократно менять энергию взаимодействия атомов! Это имеет важное следствие.

Представим себе, что из лазерных лучей создана не одна ловушка, как для получения конденсата Бозе — Эйнштейна, а сетка из таких ловушек с шагом в несколько микрон. Если поместить в узлы световой сетки атомы, то, пребывая на столь большом расстоянии, они никогда не узнают о существовании друг друга. Однако если один атом перевести с помощью света в ридберговское состояние, он благодаря своей сверхсиле вступит во взаимодействие со многими соседними атомами и свяжет их состояния. Так эта система окажется пригодной для выполнения квантовых операций.

Очень интересно, что, как только один атом рубидия стал ридберговским, ни у одного из попавших под его влияние атомов не удастся тем же способом возбудить электрон и тоже сделать его ридберговским: состояния атомов изменились и поглощение возбуждающего излучения оказывается запрещено. Более того, изменятся все частоты, на которых проходят оптические переходы у всех атомов, попавших под влияние ридберговского соседа. Так что менять состояния у них придется лазером с какой-то иной частотой. А у незаблокированных атомов частота перехода останется прежней.

Таким образом, возникает ситуация, когда есть управляемый атом, способный принимать какой-то набор состояний под влиянием микроволн, и управляющий атом, который разрешает или запрещает изменять эти состояния. Кибернетики такую комбинацию называют логическим вентилем и из подобных вентилей составляют логическую схему вычислителя. И коль скоро речь идет о работе с квантовыми состояниями, этот вычислитель будет квантовым.

В 1997 году Давид Де Винченцо, работая в исследовательском подразделении компании IBM, сформулировал пять принципов, которым должен удовлетворять квантовый вычислитель. Их список таков.

Он состоит из квантовых объектов, кубитов, которые исходно не влияют друг на друга, но неким внешним воздействием их можно переводить из одного состояния в другое. При этом они не должны самопроизвольно переходить в какое-то третье состояние. Вычислитель должен быть масштабируемым; при случае к нему можно добавлять новые кубиты.

Перед началом вычислений все кубиты должны быть приведены в определенные состояния.

Время разрушения состояний должно быть по меньшей мере в десять тысяч раз больше, чем время, затрачиваемое на выполнение одной логической операции.

При вычислениях должны выполняться операции как над отдельными кубитами, так и над связанными попарно.

Измерение конечного квантового состояния должно проходить быстро и эффективно, то есть с малыми потерями информации.

Система с ридберговскими атомами вполне соответствует всем этим критериям. Современные оптические устройства позволяют легко создавать цепочки из десятков оптических ловушек с расстоянием между узлами в несколько микронов; из них удается собирать и трехмерные сетки. Это дает хорошую плотность размещения кубитов: расчет показывает, что вычислитель мощностью в миллион кубитов займет объем около кубического сантиметра, в объеме человеческого мозга — полтора миллиарда кубитов.

Программировать ридберговский вычислитель будут, возбуждая одни атомы светом, а у других меняя состояния микроволнами или лазерами. Эти состояния можно менять индивидуально. Лазерный луч уже удается фокусировать на одном-единственном кубите и за счет этого слегка менять его полосы поглощения так, чтобы можно было действовать на него микроволнами с индивидуально подобранной частотой. Изменения состояния кубитов с помощью микроволнового излучения в таких системах сейчас достигает точности в 99%.

Двухкубитовые операции с ридберговской блокадой пока что выполняются хуже — с точностью 97%, но она постепенно растет, и, главное, есть идеи, как улучшать дальше. Для сравнения: в системах со сверхпроводящими кубитами уже достигнута точность 99%. Интересно, что ридберговские кубиты можно делать не из индивидуальных атомов, а из их холодных облачков, заключенных в те же самые ловушки, — это затрудняет работу с системой, но увеличивает ее надежность. Регистрировать ридберговские атомы можно по исчезновению испускания фотонов атомами в ловушках при их подсветке лазерным излучением. Так можно организовать считывание результатов расчета.

Важное преимущество рибдерговского квантового вычислителя перед многими альтернативами в том, что для его работы не нужен холодильник с жидким гелием: главное — обеспечить хороший вакуум, а охлаждение кубитов, тех самых атомов рубидия, что сидят в ячейках лазерной сетки, будут проводить лазерные лучи и магнитные поля. Да и экстремальное охлаждение не нужно — достаточно уровня в микроградусы.

А можно ли уже взглянуть на прототип ридберговского квантового компьютера? Да. Он выглядит как стеклянная ячейка, внутри которой, в глубоком вакууме, расположены атомы рубидия. Если ее осветить со всех сторон лучами лазеров, разбитыми на десятки лучиков, то возникнет оптическая решетка, в узлах которой будут заключены кубиты.

С такими ячейками работают во многих лабораториях, а некоторые уже берутся за создание действующих устройств. Один из лидеров — компания ColdQuanta, созданная в 2007 году в месте рождения рубидиевого конденсата Бозе — Эйнштейна, то есть в Колорадском университете. Она поставляет большую номенклатуру оборудования для работы со сверххолодными атомами, в том числе установки для получения конденсата, придумывает на его базе сенсоры движения, оборудование для навигации без использования спутниковых систем. Это ее процессор QuantumCore обеспечивает получение конденсатов на МКС, речь о которых шла выше.

Весной 2020 года компания подписала контракт с Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США на 7,4 млн долларов, который предполагает создание масштабируемого квантового вычислителя на холодных атомах, способного продемонстрировать преимущества квантовых методов расчета для практически важных задач. Через 3,5 года у них должен быть состоящий из тысячи кубитов квантовый симулятор, то есть устройство для решения задач единственного типа. Задача у него будет такая. Представим, что самолет вероятного противника атакует побережье США. Он постоянно выходит из зоны действия радаров системы ПВО. Симулятор станет в режиме реального времени подсказывать радарам, как следить за самолетом. Считается, что цифровые компьютеры неспособны это делать с надлежащей скоростью, а квантовая система справится. Есть идеи создания на атомах рубидия и симуляторов для оптимизации работы энергосистем.

В РФ наиболее успешно с холодными ридберговскими атомами рубидия работает лаборатория члена-корреспондента И. И. Рябцева из новосибирского Института физики полупроводников им. В. А. Ржанова СО РАН. Эти опыты были начаты в 2008 году, когда в лаборатории собрали установку для исследований холодных атомов, и теперь получено много интересных результатов. Например, была отлажена методика очень аккуратного превращения атомов в ридберговские за счет последовательной бомбардировки их тремя фотонами: так снижается вероятность нагреть холодный атом. Освоена и методика возбуждения единичных атомов в узлах оптической решетки, что нужно для загрузки регистров квантового вычислителя. В лаборатории придумали и необычные кубиты в виде не единичных атомов рубидия, а облачков из них, а также алгоритмы квантовых операций с такими кубитами. Правда, прототипа квантового компьютера на основании этих наработок пока не создано; ведется работа по созданию массива оптических дипольных ловушек, захвату одиночных атомов рубидия в его узлы и реализации простейших одно- и двухкубитовых квантовых операций с этими атомами.

Как бы то ни было, очевидно, что наша технологическая цивилизация стоит на очередной развилке пути своего развития. Квантовый компьютер, несомненно, в обозримом будущем создадут, и это изменит нашу жизнь так же сильно, как появление ядерного оружия. А вот какой материал окажется главным в такого роде устройствах, пока что остается загадкой. Выбор этого материала и определит путь цивилизации. Не исключено, что это будут именно холодные атомы рубидия. Тогда этот элемент займет такое же место символа передовой технологии, каким ныне служит кремний.

Чтобы построить самые маленькие в мире атомные часы, поместите атом азота в углеродную клетку

Иллюстрация: Эмили Купер Шесть дней назад норвежский исследователь установил новый рекорд по максимальному сближению с Северным полюсом, и теперь он быстро двигался по сплошному морскому льду к мысу Флигели и домой. Но затем пришло отвратительное осознание: в своем стремлении разбить лагерь он забыл завести хронометры. Он потерял счет точного времени и, следовательно, способность отслеживать свою долготу.

Хотя Нансен не мог потерять свою позицию более чем на несколько минут, это вынудило его выбрать окольный консервативный маршрут, чтобы его не унесло в Северную Атлантику. Таким образом, его экспедиции пришлось пережить голодную зиму, расположившись лагерем на неизвестном берегу. Только в июне следующего года он встретил других исследователей и узнал свое истинное местонахождение — на мысе Фельдер, на Земле Франца-Иосифа.

Сегодня любой, у кого есть смартфон, может легко определить свое время и местоположение. Спутники Глобальной системы позиционирования (GPS) передают сигналы часов по всему миру с погрешностью менее 100 наносекунд, или одной десятимиллионной доли секунды. Эти сигналы времени несут информацию, необходимую для точной навигации: поскольку радиоволны распространяются со скоростью ровно 0,299 792 458 метров в наносекунду (не считая незначительных вариаций из-за рефракции в атмосфере), сравнение сигналов от разных спутников позволяет определить положение с точностью до нескольких метров. Вот почему GPS изменил сейсмические мониторы, доставку дронами и многие другие приложения.

Но GPS не может решить все проблемы со временем. Центральное место в системе занимают атомные часы, установленные на каждом спутнике. Хотя эти часы чрезвычайно стабильны (и регулярно калибруются путем сравнения их с наземными атомными часами в лабораториях национальных эталонов), есть много способов ошибиться при передаче информации о времени пользователю — глушение, спуфинг, непреднамеренные помехи, солнечные бури, даже отражения от зданий. Но что, если бы мы могли передать эту точность непосредственно в руки пользователя, уменьшив сами атомные часы, чтобы они могли работать внутри GPS-приемника? Захотим ли мы, подобно Нансену, носить с собой наши самые лучшие часы?

В исследовании, опубликованном в Physical Review Letters , мы показываем, что такие мобильные часы возможны. Мы надеемся сделать один в ближайшее время.

Ядро атомных часов представляет собой вакуумную камеру, содержащую тонкое облако испаренного металла, обычно цезия. Атомы в паре резонируют на определенной частоте, а это означает, что их электроны будут получать энергию только от фотонов, обладающих нужным ее количеством. Если у этих фотонов слишком много или слишком мало энергии, то есть если их частота немного слишком высока или слишком низка, поглощение заметно падает. Это ключевая особенность атомных часов.

..»> Атомные часы. Атомные часы начинаются с генератора (см. схему), который создает частоту, близкую к энергетическому уровню используемого атома. Если частота генератора отклоняется от опорной частоты, картина поглощения атома изменяется, это изменение обнаруживается лазером, и сигнал лазера используется в качестве обратной связи для настройки генератора. Для достижения наилучших результатов атомы должны быть электромагнитно изолированы, для чего требуется оборудование, которое может занимать целые комнаты. Фото: Национальная физическая лаборатория

Вот как это работает. Электрический осциллятор создает микроволновую частоту, очень близкую к энергетическому уровню атома, который мы используем для наших часов. Если частота генератора немного отклоняется от правильной частоты, поглощение изменяется, это изменение обнаруживается лазером, и сигнал лазера используется для настройки генератора. Эта петля обратной связи исправляет недостатки генератора.

В отличие от маятника часов или механического механизма часов, атомы не подвержены производственным ошибкам или износу; при должной изоляции от окружающей среды их резонансная частота задается законами физики. Достижение необходимого уровня изоляции на практике означает, что лучшие атомные часы занимают целые комнаты. Коммерческие атомные часы обычно имеют размер чемодана.

В 2004 году ученым из Национального института стандартов и технологий удалось сжать всю эту установку до стопки компонентов высотой в несколько миллиметров. Такие «чиповые» атомные часы теперь доступны на коммерческой основе и используются в нишевых приложениях, таких как военная связь и подводная навигация. Но за эту миниатюризацию приходится платить — и не только стоимость изготовления: поскольку со стенками камеры взаимодействует очень много атомов, крошечный размер вакуумной камеры может привести к небольшим изменениям тактовой частоты, в то время как нагреватель, генерирующий пар представляет собой изрядный расход энергии для портативного устройства. Пройдет много времени, прежде чем эта технология появится в вашем мобильном телефоне.

К счастью, есть альтернатива, предложенная в 2008 году Эндрю Бриггсом и Аржангом Ардаваном из Оксфордского университета в Англии. Вместо использования камеры для захвата атомов в этом методе используется собственная ловушка природы: эндоэдральный фуллерен.

Заполненный фуллерен: шестьдесят атомов углерода образуют сферическую клетку, называемую фуллереном, которая может удерживать молекулу азота. Такое расположение защищает азот (синий) от магнитных помех, позволяя ему резонировать и таким образом служить основой для атомных часов. Иллюстрация: Эмили Купер

Эндоэдральные фуллерены, или эндофуллерены, представляют собой замечательные молекулы, которые, кажется, почти не поддаются обычным законам химической связи. Снаружи это фуллерен (названный в честь Бакминстера Фуллера, чемпиона геодезического купола), полый шар из атомов, который может функционировать как контейнер. Атом или меньшая молекула могут поместиться внутри, не связываясь с оболочкой, и, таким образом, защищены от окружающей среды, даже несмотря на то, что атомная клетка, заполненная таким образом, имеет свойства, подобные свойствам пустого фуллерена.

Без сомнения, самым необычным из всех подобных эндоэдральных фуллеренов является N@C ₆₀ — атом азота внутри 60-углеродной фуллереновой клетки, напоминающей футбольный мяч. Атом азота как бы плавает внутри фуллерена, сохраняя свои атомарные характеристики. Элементы благородных газов, такие как гелий и неон, также были включены в C ₆₀ . Это очень инертные вещества, в отличие от азота, который является одним из самых реакционноспособных известных элементов. И оказывается, что азот является ключом к созданию точных атомных часов.

N@C ₆₀ представляет собой молекулу, которая, учитывая реакционную способность азота, не должна существовать. Тем не менее, существует несколько способов синтеза N@C ₆₀ . Для всех этих методов необходимы экстремальные условия, потому что проталкивание атома азота через углеродную клетку термодинамически невыгодно — химически эквивалентно проталкиванию воды вверх. Однако после образования молекулы фуллереновая клетка изолирует и стабилизирует атом азота, поэтому синтезированные продукты можно собирать и хранить.

В нашей лаборатории Оксфордского университета мы делаем эти молекулы в клетках с помощью так называемой ионной имплантации. Тепло используется для испарения фуллеренов в вакуумной камере, где они доносятся до поверхности. Этот процесс постепенно создает пленку C ₆₀ на этой поверхности.

Пока растет пленка C ₆₀ , на поверхность пленки выбрасываются ионы азота. Некоторые из этих ионов азота захватываются растущей пленкой C ₆₀ , образуя нужную молекулу. Выход, однако, очень низок: на каждую молекулу N@C ₆₀ будет около 10 000 молекул безазотистого C ₆₀ .

Очистка N@C ₆₀ жесткая, потому что C ₆₀ и N@C ₆₀ химически почти идентичны. Ключевое слово здесь почти . Небольшие различия в молекулярной массе и поляризуемости между молекулами означают, что их можно разделить с помощью метода, называемого жидкостной хроматографией высокого давления или ВЭЖХ. Мы были первыми, кто разработал эту технику в 2004 году, и мы до сих пор делаем то же самое в Designer Carbon Materials, компании, которую мы выделили из Оксфорда в 2014 году.0006

Наша компания начала продавать N@C ₆₀ и другие сделанные на заказ эндоэдральные фуллерены исследовательским группам по всему миру. Если вам нужно немного, мы будем рады продать вам столько, сколько вы хотите: мы берем 200 миллионов фунтов стерлингов за грамм.

В стандартной хроматографии вещества с разными химическими характеристиками разделяются, заставляя их пройти своего рода перчатку — полосу препятствий, которая блокирует прохождение одного вещества больше, чем другого. ВЭЖХ работает с использованием перекачиваемого растворителя (отсюда и термин «высокое давление») для удаления отложившейся пленки углеродных фуллеренов таким образом, что желаемые молекулы — фуллерены, окружающие азот, — уносятся предпочтительно. Из-за ограниченного содержания N@C ₆₀ в сырой смеси этот процесс необходимо повторять много раз. Эта переработка может обеспечить полное разделение C ₆₀ и N@C ₆₀ .

Иллюстрация: Эмили Купер
Стрельба из азота: Авторы нагревают источник углерода, испаряя или сублимируя его внутри вакуумной камеры. Пар содержит клетки фуллерена углерода-60, и когда он достигает относительно холодной медной мишени, он конденсируется, образуя пленку. Тем временем аппарат выпускает ионы азота в пленку, имплантируя ионы в крошечную часть клеток.

Вернемся к атомным часам: Начнем с генератора, который генерирует радиосигнал, близкий к частоте, которую поглощает азот. Мы передаем сигнал через антенну в ячейку, содержащую образец молекул в виде порошка или раствора. Если осциллятор настроен правильно, мощность поглощается. Если мы увидим уменьшение поглощаемой мощности, мы будем знать, что осциллятор отклонился от целевой частоты. Затем, используя механизм обратной связи, осциллятор можно снова настроить на точку максимального поглощения. Поскольку эта частота точно известна, точная привязка ко времени осуществляется простым подсчетом циклов стабилизированного генератора. Мы управляем обратной связью, модулируя частоту генератора и заставляя детектор отслеживать эту модуляцию. Если осциллятор настроен правильно, модуляция на выходе равна нулю; если центральная частота генератора отклонилась, знак выходной модуляции говорит нам, в какую сторону резонанса он переместился.

Эндоэдральные фуллерены, такие как N@C ₆₀ , являются выдающимися эталонными материалами, поскольку, как мы показали в 2006 г., переходы между их квантово-механическими спиновыми состояниями имеют одни из наиболее точно очерченных частот любой молекулы. Если вы начертите график реакции материалов на стимулирующее излучение, он покажет очень узкий пик на резонансной частоте. Кроме того, фуллереновая клетка предотвращает влияние стенок контейнера на частоту. Однако одно внешнее воздействие проникает в фуллереновую клетку и может изменить соответствующие частоты: магнитное поле. Поскольку мир полон неконтролируемых магнитных полей — например, от электродвигателей, стальных транспортных средств и самой Земли — защита от них имеет решающее значение для стабильных часов. Бриггс и Ардаван поняли, что для N@C ₆₀ , приложение небольшого статического магнитного поля может настроить энергетические уровни таким образом, что все магнитные воздействия на резонансную частоту нейтрализуют друг друга.

Суть, конечно же, , в том, чтобы однажды встроить в один чип полные атомные часы. В этой конструкции вся работа основана на радиочастотной электронике, что позволяет избежать необходимости в оптических элементах, которые используются в обычных атомных часах. И, в отличие от паровых часов, не нужно было бы поддерживать вакуумную камеру и энергоемкий нагреватель для разрядки батареи. Таким образом, атомные часы на основе эндофуллерена могут быть небольшими, легкими и энергоэффективными. Потенциально он мог бы заменить многие кварцевые генераторы, используемые почти в каждом современном электронном устройстве для измерения времени.

Наше продвижение к этой цели достигло ключевой вехи в этом году, когда мы показали, что уровни энергии в нашем защищенном углеродом ионе азота нечувствительны к шуму магнитного поля. Мы еще не включили материал в прототип часов, хотя надеемся сделать это в ближайшее время.

Фото: Кириакос Порфиракис

Растворенные фуллерены: Очищенные фуллерены, улавливающие азот, показаны здесь в растворе.

Исторически каждое поколение портативных хронометров открывало новые возможности. Ранние приложения, вероятно, используют тот факт, что точные часы также являются точным синтезатором частоты. Например, в беспроводной связи мультиплексирование каналов в одну полосу частот требует, чтобы каждый передатчик строго придерживался назначенной ему несущей частоты. (По этой причине некоторые вышки сотовой связи уже оснащены атомными часами. ) По мере того, как будущие сети, такие как Интернет вещей, будут тесниться в ограниченном спектре, портативные и стабильные часы будут становиться все более необходимыми.

По той же причине GPS-приемники получат преимущества от бортовых часов. Это, возможно, удивительно, учитывая, что сам сигнал GPS несет информацию о времени, но это происходит потому, что сигнал со спутника слаб — сравним с мощностью лампочки, передаваемой через континент. Особенности ландшафта, здания и помехи затрудняют обнаружение. Чтобы отследить этот слабый сигнал, приемник должен точно зафиксироваться на частоте вещания. Чем более стабильна локальная опорная частота, тем быстрее и надежнее может быть это отслеживание.

Во враждебной среде, например на полях сражений, это становится еще более важным. Сигнал GPS уязвим для глушения, а эффективные (но незаконные) глушители широко доступны и, вероятно, будут встречаться в будущих войнах. Обладая точной информацией о времени, приемники GPS могут выделять истинный сигнал над шумом глушителя. Приемники могли даже позволить навигации пережить частичное разрушение спутниковой сети.

Современные приемники должны определять свое положение, используя сигналы от четырех или более спутников одновременно, но вместо этого достаточно точные часы могут использовать последовательные сигналы от одного спутника. Другие приложения для защиты включают связь со скачкообразной перестройкой частоты, бистатический радар (в котором злоумышленник незаметно получает сигнал радара от цели, освещенной удаленным передатчиком) и чувствительный мониторинг связи противника. По этим причинам портативные часы представляют большой интерес для вооруженных сил нескольких стран.

Наконец, могут быть совершенно новые приложения. Например, склады, почтовые отделения и даже метро в будущем могут быть оборудованы собственными локальными системами позиционирования с использованием небольших беспроводных базовых станций. Посылки, оборудование и людей можно было бы отслеживать, не требуя, чтобы кто-либо расписывался о доставке посылки или регистрировал ее местоположение в каждом месте. Даже беспилотные автомобили выиграют от бортового устройства, которое показывает очень точное время в сложных условиях, таких как туннели, где спутниковые сигналы GPS недоступны.

Чтобы эти возможности были реализованы, многие элементы должны сойтись воедино. Во-первых, необходимо будет оптимизировать стабильность частоты атомного резонанса, от которой зависят часы. Чтобы технология была конкурентоспособной, флуктуации частоты должны быть значительно ниже одной миллионной, несмотря на колебания температуры, магнитного поля и химической среды. Во-вторых, будет задача миниатюризации — уменьшения ячейки образца, магнита и радиочастотной электроники до устройства размером с чип. В-третьих, потребность в низком энергопотреблении. Наконец, необходимо производить эндоэдральные фуллерены в промышленных масштабах, материалы, которые пока существуют только в миллиграммовых количествах.

Несмотря на это, на рынке уже начинают появляться эндоэдральные фуллерены. Технологическая фирма LocatorX из Джексонвилля, штат Флорида, получила лицензию на оксфордский патент на атомные часы и разрабатывает их для коммерческого использования.

Чтобы миниатюрные атомные часы можно было использовать в повседневных устройствах, мы должны довести до предела многие области науки и техники. Но награды фантастически важны. Мы с нетерпением ждем того дня, когда сердца эндоэдральных фуллеренов будут биться во времени вокруг нас.

Эта статья появилась в печатном выпуске за декабрь 2017 года под названием «Сохранение идеального времени с атомами в клетке».

Кириакос Порфиракис — адъюнкт-профессор материалов Оксфордского университета. Эдвард А. Лэрд является научным сотрудником Королевской академии инженерных исследований .

Новые атомные часы отстают всего на одну секунду каждые 300 миллиардов лет

(Изображение предоставлено Shutterstock)

Группа физиков объявила об одних из самых мощных атомных часов из когда-либо созданных.

Говорят, что инструмент измеряет время настолько точно, что теряет всего одну секунду каждые 300 миллиардов лет, что позволяет проводить более точные измерения гравитационных волн, темной материи и других физических явлений. Исследование, основанное на исследовании UW-Madison, было опубликовано в среду (16 февраля) в журнале Nature.

«Часы на оптической решетке уже являются лучшими часами в мире, и здесь мы получаем такой уровень производительности, которого никто раньше не видел», — сказал Шимон Колковиц, профессор физики Университета Висконсин-Мэдисон и старший автор исследования. в выписке (откроется в новой вкладке). «Мы работаем как над улучшением их производительности, так и над разработкой новых приложений, которые станут возможными благодаря этой повышенной производительности».

Связанный:  Мировое время: что это такое и как оно работает?

Вообще говоря, атомные часы — это часы, которые отслеживают резонанс частот атомов, обычно атомов цезия или рубидия. Этот процесс позволяет таким часам измерять время с высокой степенью точности. Атомные часы NASA Deep Space Atomic Clock являются примером космического эксперимента, в ходе которого технология тестировалась на орбите в течение двух лет.

Атомные часы работают, отслеживая энергетические уровни электронов. «Когда электрон меняет энергетические уровни, он поглощает или излучает свет с частотой, одинаковой для всех атомов определенного элемента», — поясняется в том же заявлении университета. «Оптические атомные часы отсчитывают время с помощью лазера, точно настроенного на эту частоту, и для точного измерения времени им требуются одни из самых сложных лазеров в мире».

В ходе нового исследования были созданы мультиплексированные часы, которые разделяли атомы стронция на линию в одной вакуумной камере. Команда использовала «относительно паршивый лазер», как назвал его Колковиц, который все же смог обеспечить уровень точности измерений, близкий к мировому рекорду.

Если светить лазером только на одни часы, то лазер возбуждает электроны в том же числе атомов всего за одну десятую секунды. Но с двумя часами одновременно атомы оставались возбужденными в течение 26 секунд.

Атомные часы НАСА для дальнего космоса, изображенные здесь на иллюстрации художника, будут тестировать новую технологию для навигации в дальнем космосе. (Изображение предоставлено НАСА)

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

Затем группа попыталась точно измерить разницу между часами, потому что две группы атомов в немного разных средах будут «тикать» с разной скоростью из-за изменений в магнитных полях или гравитации. Команда провела эксперимент более 1000 раз, чтобы измерить разницу, и со временем обнаружила большую точность в этом измерении.

В конце концов, исследователи обнаружили разницу в скорости хода двух атомных часов, «что соответствовало бы их расхождению всего на одну секунду каждые 300 миллиардов лет — измерение точного хронометража, установившее мировой рекорд для двух пространственно разделенных часов». часы», — сказали в университете.

Истории по теме:

По совпадению, в несвязанном исследовании в том же номере журнала Nature была опубликована разница частот между верхом и низом рассеянного облака атомов примерно в 10 раз лучше, чем в группе UW–Madison.

Другое исследование, проведенное исследовательским институтом в Колорадо под названием JILA (ранее известным как Объединенный институт лабораторной астрофизики), установило мировой рекорд по самой точной разнице частот. Группа UW-Madison занимает второе место.

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

Подпишитесь на Элизабет Хауэлл в Твиттере  @howellspace (откроется в новой вкладке) . Следите за нами в Твиттере  @Spacedotcom (откроется в новой вкладке)  или Facebook.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space. com.

Элизабет Хауэлл, доктор философии, является штатным корреспондентом на канале космических полетов с 2022 года. Она была автором статей для Space.com (открывается в новой вкладке) в течение 10 лет до этого, с 2012 года. Как гордый Trekkie и канадец, она также занимается такими темами, как разнообразие, научная фантастика, астрономия и игры, чтобы помочь другим исследовать вселенную. Репортажи Элизабет с места событий включают в себя два запуска пилотируемых космических кораблей из Казахстана, три миссии шаттлов во Флориде и встроенные репортажи с моделируемой миссии на Марс в Юте. Она имеет докторскую степень. и магистр наук. получил степень бакалавра космических исследований в Университете Северной Дакоты и степень бакалавра журналистики в Карлтонском университете в Канаде. Элизабет также является инструктором по коммуникациям и науке после окончания средней школы с 2015 года. Ее последняя книга «Моменты лидерства от НАСА» написана в соавторстве с астронавтом Дэйвом Уильямсом. Элизабет впервые заинтересовалась космосом после просмотра фильма «Аполлон-13» в 19 лет.96, и все еще хочет когда-нибудь стать космонавтом.

Вертикальное картографирование и атомные часы

Геодезист NOAA Стив Брейденбах держит вертикальную нивелирную рейку поверх геодезического маркера на полу лаборатории, в которой установлено несколько атомных часов, в Национальном институте стандартов и технологий в Боулдере, штат Колорадо. Другой геодезист (не на фото) измеряет высоту стержня относительно известной высоты. Ученые NGS также использовали в этом месте гравиметр. Высота и сила тяжести вместе используются для определения геопотенциала на этой отметке. Таким образом, геопотенциал в местах расположения часов (видимых на оптических стендах, окружающих Брайденбах) может быть определен относительно друг друга и геоида.

Послушайте выпуск:

Послушайте наш последний подкаст

Загрузите этот подкаст.

Стенограмма

ВЕДУЩИЙ: Это подкаст Making Waves от Национальной океанической службы NOAA. Меня зовут Трой Китч, и я продюсирую этот эпизод в кампусе NOAA в Силвер-Спринг, штат Мэриленд, который… согласно моему смартфону, находится на высоте 340 футов. Для меня и для большинства из нас этого измерения смартфона достаточно. Но иногда людям нужны более точные измерения высоты… для таких вещей, как картирование пойм, строительство мостов и автомагистралей, навигация. А иногда нам нужно рассчитать самые точные измерения высоты, возможные с помощью современных технологий. И у нас есть отличный пример, которым мы можем поделиться в этом выпуске.

ВЕДУЩИЙ: К нам присоединился Дерек ван Веструм, ученый из Национальной геодезической службы NOAA, который провел много времени летом 2015 года, работая над действительно классным проектом по определению точной высоты нескольких атомных часов на Национальный институт стандартов и технологий, или NIST, в Боулдере, штат Колорадо. Это необходимо, потому что эти часы настолько невероятно точны, что в игру вступают эффекты общей теории относительности. Это означает, что если двое из этих часов находятся на немного разной высоте… даже на несколько сантиметров… более высокие часы идут заметно быстрее. Оставайтесь с нами, чтобы узнать, почему это проблема для NIST, как Национальная геодезическая служба помогла решить эту проблему и как эти атомные часы могут когда-нибудь сыграть важную роль в геодезии.

Геодезист NOAA Рой Андерсон устанавливает ретрорефлектор или призму на крыше лаборатории в Национальном институте стандартов и технологий в Боулдере, штат Колорадо. Призма является одним из многих инструментов, используемых для определения точной высоты в заданном месте.

ДЕРЕК ВАН ВЕСТРУМ: «Меня зовут Дерек ван Веструм. Я геодезист Национальной геодезической службы и работаю здесь, в Боулдере. На самом деле я занимаюсь физикой, так что да, в двух словах это я».

ВЕДУЩИЙ: Большинство людей знают, что такое физика, или, по крайней мере, слышали о ней. А вот геодезия не очень. Геодезия — это наука о точном измерении и понимании геометрической формы Земли, ориентации в пространстве и гравитационного поля. Это то, чем занимается Национальная геодезическая служба, которую мы для краткости называем NGS. И это довольно сложная проблема. Как вы это измеряете? Как убедиться, что мы все измеряем Землю одинаково? Как вы обновляете измерения, поскольку Земля постоянно меняется? Вот Дерек:

ДЕРЕК ВАН ВЕСТРУМ: «Что вы называете нулем? С чего начать? Как вы решаете эту проблему: хорошо, что меняется по отношению к чему? Это увлекательная проблема, над которой люди работают уже почти 400 лет. Как точно описать, а затем измерить форму планеты? А потом, как вы упомянули, есть такие вещи, как изменения в форме планеты, которые вы должны учитывать и отслеживать».

ВЕДУЩИЙ: Измерение и отслеживание гравитационного поля для страны — большая часть того, что делает NGS… и это опыт Дерека. Это часть геодезии, которая занимается картографированием высот планеты, или, как говорят геодезисты, вертикальной картографией. Он сказал, что большинство людей думают о Земле как о сфере. Но поскольку он вращается, он на самом деле принимает эллиптическую форму. Гравитация выше на полюсах, потому что полюса ближе к центру Земли, и ниже на экваторе, потому что экватор дальше от центра Земли. Все становится очень сложным, когда вы добавляете горы и другие объекты вокруг Земли, которые вызывают изменения в гравитационном поле. Так что гедесисты, такие как Дерек, используют гравитационные измерения, чтобы определить это. Один из наиболее важных инструментов, используемых для этого, называется гравиметр. Прежде чем мы перейдем к атомным часам, нам нужно узнать об этом немного больше.

ДЕРЕК ВАН ВЕСТРУМ: «Гравитация и высота вместе являются фундаментальным аспектом всего, что мы действительно пытаемся сделать в NGS с точки зрения измерения высоты. Все думают: «Да, гравитация постоянна, верно?» Что ж, получается, что в первом приближении так оно и есть, но, как говорит нам Ньютон, чем дальше от источника, тем слабее гравитация. Так, например, если вы поднимаетесь на гору, гравитация должна быть меньше, потому что вы находитесь дальше от центра Земли. И, конечно же, это так. А гравиметры у нас есть, если поднять их на несколько миллиметров, гравитация будет заметно слабее, потому что вы дальше от центра Земли. Вот почему одна из главных вещей, которую делает NGS, — это использование гравиметров, чтобы отслеживать эти изменения высоты. Так что, опять же, высота и гравитация действительно идут рука об руку».

ВЕДУЩИЙ: Дерек сказал, что «геопотенциал» — это на самом деле то, что измеряется гравиметром — и это научный термин, который вы можете представить себе как высоту, скорректированную с учетом гравитации. Гравитацию необходимо учитывать при измерении высоты, потому что, как он сказал, земная гравитация непостоянна — она меняется от точки к точке. Он любит описывать это с помощью мысленного эксперимента:

ДЕРЕК ВАН ВЕСТРУМ: «Если у вас есть плоское, сухое озеро, и все выглядит однородным, и вы налили в середину кучу воды, оно просто останется там. Но если бы под землей на одном конце высохшего озера была капля золота или что-то действительно тяжелое, она действительно притягивала бы к себе воду. Итак, что вода там действительно видит, если все остальное плоское, вода не должна двигаться. Это «видение» гравитационной части и высоты. Таким образом, притяжение воды — это движение воды от более низкого потенциала к более высокому потенциалу. Итак, теперь вы можете видеть, что все становится запутанным. Такие слова, как «плоский», «уровень», «вверх» или «высота», должны быть действительно хорошо определены. Итак, это плоское озеро, оно «плоское» в том смысле, что если положить на него линейку, то нигде нет щелей, но оно не ровное. Вода хочет идти к золотой капле. Так что теперь, когда мы говорим о «геодезическом выравнивании», вы действительно смотрите на изменение высот, умноженное на изменение силы тяжести в этой точке. И это геодезическая съемка, измеряющая геопотенциал. И проще всего думать о том, что вода «видит».

ВЕДУЩИЙ: Теперь давайте вернемся к тому, что Дерек и группа экспертов NGS делали в Боулдере, штат Колорадо, в кампусе NIST — Национального института стандартов и технологий. Среди многих важных функций NIST — измерение времени. Не просто какое-то старое измерение… Атомные часы NIST служат национальным стандартом времени и частоты — другими словами, это официальное время в стране. Стандарт частоты, о котором вы вскоре услышите от Дерека, — это собственная резонансная частота атома цезия, именно так определяется измерение одной секунды.

ДЕРЕК ВАН ВЕСТРУМ: «В NIST мы проводим исследование геопотенциала их лабораторий атомных часов. У них есть стандарт частоты, основанный на цезии, и его точность составляет одну десятую до минус 15, то есть много нулей. Это очень точные часы. Но есть новое поколение этих часов, которые на самом деле в тысячу раз лучше, и они настолько хороши, что начинают проявляться некоторые раздражающие эффекты. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что если вы возьмете любые часы и поднимете их вверх — вверх от источника гравитации — то есть вверх от центра Земли, они будут идти быстрее. Это просто странный эффект общей теории относительности. Таким образом, новые часы настолько точны, что если вы действительно поднимете их на сантиметр или два, они будут работать заметно быстрее. Так что это действительно круто, но также и раздражает, если вы пытаетесь построить одни из этих часов, протестировать эти часы. Если у вас есть два из них рядом друг с другом, и вы хотите их сравнить, опять же, если один выше на сантиметр или два, вы должны принять это во внимание, чтобы убедиться, что часы действительно согласуются друг с другом».

ВЕДУЩИЙ: Упрощенная версия того, что сделала команда Дерека, — это измерение высоты лабораторий, содержащих атомные часы NIST, чтобы, когда их ученые сравнивают часы, они могли видеть, насколько они совпадают.

ДЕРЕК ВАН ВЕСТРУМ: «Но самое интересное, что в конце концов они хотят сделать эти новые, экспериментальные часы стандартами и хотят сравнить их с часами, скажем, в Париже или в одном из других стандартных мест мира, им нужно узнать геопотенциальную разницу между Боулдером и Парижем. Итак, мы дали им значение геопотенциала, скажем, относительно чего-то вроде уровня моря, и это позволит им в будущем, когда они подключатся к парижским часам, точно знать, какие поправки необходимо сделать, чтобы они сравнивают яблоки с яблоками».

ВЕДУЩИЙ: Насколько точны измерения высоты NOAA в лабораториях Колорадо? Настолько точно, насколько это возможно с современными технологиями. Я спросил Дерека, типична ли такая точность в повседневной работе Национальной геодезической службы.

ДЕРЕК ВАН ВЕСТРУМ: «В любом опросе, если вы хотите так назвать любой проект, мы смотрим на то, что необходимо. Какие характеристики точности кому-то понадобятся? Итак, в Йеллоустоне вы хотите посмотреть, как земля поднимается и опускается, скажем, на сантиметр или около того за несколько лет. Так что вам нужны довольно точные гравиметры для этого и GPS, работающий в течение многих дней. Для других опросов вы можете ослабить их. Если вы пытаетесь выровнять дорогу по сырому грунту, возможно, вам понадобится всего несколько сантиметров. Вы можете иметь более короткие измерения GPS. Для часов NIST мы использовали самые высокие характеристики, какие только могли получить. Итак, для проведения исследования у нас был самый точный гравиметр, мы запустили его на ночь, чтобы усреднить сигналы приливов от солнца и луны. Для выравнивания, которое большинство людей считает высотой, мы выбрали три репера первого порядка — это места, которые уже измерены и установлены. Мы убедились, что они самосогласованы друг с другом, а затем установили эти новые высоты с максимальной точностью, на которую были способны. Так что это что-то вроде нескольких миллиметров на несколько километров. Это поразительная точность, чтобы делать высоты. И тогда гравитация известна примерно с точностью до девяти цифр, что является последним достижением, лучшее, что вы можете сделать. В этом случае мы сделали все возможное, чтобы выполнить работу максимально точно».

ВЕДУЩИЙ: Итак, теперь вы понимаете, как геодезисты могут получить очень точные измерения высоты… и это непростое дело. Дерек сказал, что для многих людей даже удивительно, что такие вещи возможны.

ДЕРЕК ВАН ВЕСТРУМ: «Большинство людей не осознают поразительной точности всех этих инструментов. Что вы действительно можете измерить гравитацию или вы действительно можете выровнять что-то с точностью до нескольких миллиметров на большом количестве километров. А потом тот факт, что с этим можно делать увлекательные вещи. Вы можете наблюдать, как горы поднимаются или опускаются, вы можете наблюдать, как поднимается вся северная часть континента, тот факт, что из этих вещей получаются действительно полезные вещи, я думаю, удивит многих людей.

ВЕДУЩИЙ: И вот еще одна удивительная вещь, связанная с атомными часами, которые мы обсуждали. Вы знаете, что часы настолько чувствительны, что заметно ускоряют ход, когда их поднимают всего на несколько сантиметров над землей? Что ж, геодезистов это очень взволновало. Когда-нибудь они смогут использовать атомные часы, разработанные Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST), для измерения изменений высоты в разных точках страны в режиме реального времени.

ДЕРЕК ВАН ВЕСТРУМ: «Одна из целей проекта NIST состоит не только в том, чтобы помочь NIST с их атомными часами, но и в том, что однажды мы сможем обратить этот процесс вспять, и если каким-то образом эти часы станут портативными и вы можете разместить их по всему континенту, вы можете оставить один, скажем, на уровне моря и связать его с часами, скажем, в Йеллоустоуне, и вы увидите, что одни часы идут быстрее или медленнее по сравнению с другими часами, и вы можете посмотрите на прямые изменения в геопотенциале, что, опять же, является фундаментальной вещью, которая нас непосредственно интересует. Слишком, друзья мои ученые, если бы я сказал им, что на самом деле есть приложения общей теории относительности, где мы могли бы взять атомные часы и использовать их для измерения изменений формы Земли в реальном времени… что у общей теории относительности есть практическое применение. Это очень крутая вещь».

ВЕДУЩИЙ: Ну, можно сказать, что мы коснулись только поверхности потенциала измерения геопотенциала.