Принцип работы атомных часов: Как это устроено: атомные часы / Хабр

Содержание

Частоту атомных часов сравнили с рекордной точностью

Физика

Сложность
5.2

BACON collaboration / Nature, 2021

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

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

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

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

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

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

Схема связи трех использованных оптических часов

BACON collaboration / Nature, 2021

Поделиться

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

Результаты измерений отношения частот оптических часов с различными атомами

BACON collaboration / Nature, 2021

Поделиться

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

Сравнение точности измерений отношения частот оптических часов с указанными атомами с предыдущими результатами

BACON collaboration / Nature, 2021

Поделиться

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

Полученные ограничения на константу взаимодействия темной материи с веществом. Серый цвет – результаты других исследований, цветная область – дополнение к ограничениям

BACON collaboration / Nature, 2021

Поделиться

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

Никита Козырев

Оптические атомные часы: в шаге от будущего

Атомные часы используются во всем мире довольно давно и
успешно. Но то, что журналистам показали в лаборатории
Физического института, принципиально отличается от всего
созданного в этой области до сих пор. Уникальность оптических
атомных часов новейшего поколения заключается в использовании
атомов тулия — будучи устойчивым к внешним воздействиям,
тулий дает частоту колебаний, на порядок большую, чем у
«обычных» моделей (на атомах цезия) — свыше 230 трлн в
секунду.


О механизме действия оптических атомных часов и об особенностях
разработки, а также о сферах применения оптических атомных часов
мы говорили с член-корр. РАН Николаем Николаевичем Колачевским,
руководителем проекта и директором Физического института имени
П.Н. Лебедева РАН. Помогали ему участники эксперимента —
студенты и аспиранты ФИАН — Гульнара Вишнякова, Елена Калганова,
Артем Головизин, Дмитрий Трегубов и другие.

«Наша группа впервые в мире использовала именно атомы тулия,
поскольку этот элемент демонстрирует необычайно высокую точность
(свыше 17 знаков после запятой!) по сравнению с цезиевыми
фонтанами предыдущего поколения. Собственно с изучения свойств
тулия и началась наша работа. Мы опирались также на теорию
давления света на газы, выведенную великим российским ученым
Петром Лебедевым. То есть в данном случае теория была первична»,
— рассказал Николай Колачевский.

Экспериментальная модель будущего устройства сегодня состоит из
двух частей: собственно «механизма» и «циферблата». Принцип
работы механизма (естественно, довольно схематично) можно описать
следующим образом.

Благодаря устойчивости к внешним воздействиям тулий демонстрирует
необычайно высокую частоту колебаний — свыше 230 трлн в
секунду. Этот показатель на порядок превосходит лучшие из
работающих образцов. Облачко холодных атомов тулия захватывается
в перекрестье лазерных пучков, затем «замораживаются» практически
до полной остановки движения — это и есть сверхточный «маятник».


 

Затем происходит сканирование полученной частоты колебаний.
Захваченные «часовым» лазером атомы взаимодействуют с его
излучением и передают ему свои свойства. Эти свойства «считывает»
оптический дешифратор, или световая шкала (находится в части
«циферблата»), роль которого выполняет так называемая «оптическая
гребенка». Световая шкала отчасти напоминает привычную всем
линейку, только вместо 100 миллиметровых делений она имеет свыше
1 млн штрихов, что позволяет ей из тончайших «полосок» спектра
сложить полную картинку. (За это изобретение германский физик
Теодор Вальтер Хэнш получил в 2013 году Нобелевскую премию).
После этого данные передаются на компьютер и визуализируется в
привычной системе координат.

Н.Н. Колачевский уверен, что оптические атомные часы будут
востребованы не только в научной, но в повседневной бытовой
практике:

— Осмелюсь утверждать, что полученные результаты
эксперимента соответствуют ожиданиям — запрос, безусловно, есть.
Наиболее очевидная сфера применения — навигация, где атомные часы
уже успешно применяются. Однако оптические часы позволят
осуществлять движение во взаимодействии с гравитационными полями
Земли, что открывает совершенно новые возможности трехмерной
навигации. Этот момент очень важен при движении самолетов, судов,
подводных лодок.

Но и в автомобильном движении изобретение российских ученых
найдет достойное применение — оно даст возможность создания
беспилотного автомобиля, по примеру известной модели концерна
«Тесла».


Что для этого нужно? Прежде всего, сделать устройство более
компактным — сейчас стоит задача уместить его в размеры
стандартного кейса. Дальше остается вопрос технологий — выпуск
пробной модели, испытания, сертификация, производство,
использование.  И хотя, к сожалению, нередко полезные и
нужные изобретения не всегда находят применение, Николай
Николаевич уверен, что у оптических атомных часов все сложится.
«Я уверен, что это вопрос самого ближайшего будущего, буквально
нескольких лет. Рискну сделать даже более точный прогноз — где-то
к 2020 году может начаться серийный выпуск и массовое применение
оптических атомных часов» — сказал он.

Список сюжетов и публикаций:

НТВ: сюжет «В Москве запустили самые точные в мире часы,
созданные российскими учеными»  http://www.ntv.ru/video/1312411/

 1 канал: сюжет «Российские ученые предложили самые точные
часы в мире» http://www. 1tv.ru/news/2016/09/13/309898-rossiyskie_uchenye_predlozhili_samye_tochnye_chasy_v_mire

5 канал: сюжет «Российские ученые создали одни из самых точных
часов в мире» http://www.5-tv.ru/news/110422/

REN.TV: сюжет «В России запустили самые точные в мире атомные
часы» http://ren.tv/novosti/2016-09-14/v-rossii-sozdali-samye-tochnye-v-mire-atomnye-chasy

телеканал 360: новость «Российские ученые запустили самые точные
в мире часы в Москве» http://360tv.ru/news/rossijskie-uchenye-zapustili-samye-tochnye-v-mire-chasy-v-moskve-71900/

Немецкие ученые создали самые точные оптические атомные часы на основе единственного иона иттербия

Новости

15 февраля 2016

—

Принцип работы атомных часов

Группа экспертов по атомным часам из немецкого метрологического института Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) стала первой в мире группой, которой удалось создать оптические атомные часы на основе единственного иона, имеющие точность, которая до этого была достижима разве что только в теории.

Эта теория была разработана в 1981 году Хансом Георгом Демельтом (Hans Georg Dehmelt), немецким физиком, который в 1989 году удостоился чести стать лауреатом Нобелевской премии в области физики. И согласно этой теории, единственный ион, пойманный в высокочастотной ловушке, может стать основой атомных часов, погрешность работы которых составляет неимоверно малую величину, 10-18.

C того времени различные группы ученых неоднократно предпринимали попытки создания оптических атомных часов, основанных на одном ионе или на группе нейтральных атомов. Однако, ученым из PTB удалось стать первыми, кто добрался до финишной черты. Их оптические часы с единственным ионом иттербия продемонстрировали относительную систематическую погрешность измерения времени в 3*10-18.

Эталоном измерения времени, определяющим значение соответствующей величины в системе СИ, являются атомные цезиевые часы. «Маятник» этих часов состоит из атомов цезия, которые колеблются на собственной резонансной частоте под влиянием микроволнового излучения в диапазоне 1010 Гц. Однако существует некоторая уверенность, что следующим эталоном единицы времени станут оптические атомные часы, частота возбуждения которых находится в диапазоне от 1014 до 1015 Гц, что делает их намного более стабильными и точными, нежели цезиевые часы. Точность измерения времени, полученная при помощи новых оптических атомных часов, приблизительно в сто раз выше, нежели точность самых лучших цезиевых часов.

В конструкции новых часов исследователи из института PTB использовали несколько уникальных физических свойств ионов Yb+. Эти ионы могут находиться в двух стабильных энергетических состояниях. Одно из этих состояний, F state, характеризуется очень точным значением резонансной частоты, а ион может находиться в этом состоянии на протяжении шести лет непрерывно без необходимости оказания на него каких-либо дополнительных воздействий. Второе состояние, D3/2 state, демонстрирует более большой разброс резонансной частоты, но ионы в этом состоянии можно использовать в качестве высокочувствительных датчиков, позволяющих очень точно настроить эксплуатационные режимы системы часов в целом. И еще одним преимуществом ионов Yb+ является то, что длина волны лазерного света для их возбуждения позволяет использовать для этого надежные полупроводниковые лазеры, которые достаточно легко поддаются управлению и стабилизации.

Решающим моментом, позволившим ученым добиться успеха, стала комбинация двух мер. Во-первых, для помещения иона иттербия в одно из двух состояний была разработана специальная процедура, которая позволяет на лету переключать резонансную частоту иона при помощи света из внешнего источника. Во-вторых, изменение резонансной частоты иона, вызванное тепловым инфракрасным излучением окружающей среды, которое и без того является маленьким в случае иона Yb+, было определено с высокой точностью, погрешность измерения составила всего 3 процента. Имея на руках это значение, ученым ничего не стоило компенсировать температурный дрейф резонансной частоты при помощи последовательного возбуждения иона инфракрасным светом с четырьмя различными длинами волн.

Еще одной особенностью ионов Yb+, находящихся в F-состоянии, является сильная зависимость энергетических показателей этого состояния от значений некоторых фундаментальных физических констант. Также на энергетические показатели оказывает влияние взаимодействие между электронами и определенной формой материи, которая известна под названием темной материи и которая играет одну из главных ролей в существующей космологической модели. Сравнение показателей часов на ионах Yb+ и показателей других высокоточных оптических атомных часов представляет собой многообещающий способ проверки некоторых теорий из области «новой физики» в лабораторных условиях.

Поделиться

Отправить

Твитнуть

Отправить

Научный портал «Атомная энергия 2.0“ – это открытое к сотрудничеству прогрессивное цифровое СМИ с элементами управления ядерными знаниями, семантического анализа и ценностного лидерства, ставящее своей целью решение ключевых социально-ориентированных задач фундаментальной системообразующей атомной отрасли:

– образования и общения широкой общественности и специалистов об инновационном развитии экологически устойчивых, эффективных и полезных ядерных и радиационных наук и технологий в России и мире,

– формирования популярного сообщества ученых, инноваторов, деловых, государственных, общественных и экологических лидеров, открыто поддерживающих их дальнейшее развитие и изучение,

– формирования популярного сообщества компаний и организаций, открыто обменивающихся передовым опытом, знаниями, культурой, возможностями, инновациями и инициативами,

– и поддержки и привлечения талантливой и амбициозной молодежи к реализации длительных и успешных профессиональных карьер в атомной и смежных индустриях.

Мы предлагаем Вашей организации стать одним из партнеров нашего просветительского проекта и получить уникальный пакет профессиональных коммуникационных и рекламных услуг.

Почему нужна атомная энергетика?

Краткая история хронометража – Physics World

Взято из номера Physics World за ноябрь 2018 года. Члены Института физики могут ознакомиться с полным выпуском через приложение Physics World .

От втыкаемых в землю палочек до цезиевых атомных часов люди тысячелетиями отслеживали время с возрастающей точностью. Хелен Марголис рассказывает о том, как мы пришли к нашему нынешнему определению секунды, и о том, куда движется технология часов

1 ноября 2018 года, когда эта статья была впервые опубликована в печатном издании Physics World , я работал в Национальной физической лаборатории Великобритании (NPL) в Теддингтоне ровно 20 лет и шесть дней. Причина, по которой я это знаю, проста: я присоединился к организации 26 октября 1998 года и с помощью часов и календарей могу измерять прошедшее время. Но что люди делали до того, как появились часы? Как они измеряли время?

На протяжении тысячелетий было изобретено множество устройств для измерения времени, но их всех объединяет то, что они зависят от природных явлений с регулярными периодами колебаний. Хронометраж — это просто вопрос подсчета этих колебаний, чтобы отметить течение времени.

На протяжении большей части истории выбранным периодическим явлением было видимое движение Солнца и звезд по небу, вызванное вращением Земли вокруг своей оси. Один из самых ранних известных методов хронометража, насчитывающий тысячи лет, заключался в том, чтобы вертикально вонзить палку в землю и следить за ее движущейся тенью в течение дня. Этот метод превратился в солнечные часы или теневые часы с маркерами вдоль пути тени, делящими день на сегменты.

Однако солнечные часы бесполезны, если не светит Солнце. Вот почему были разработаны механические устройства, такие как водяные часы, часы со свечой и песочные часы. Затем, в 17 веке, были разработаны маятниковые часы, которые были гораздо более точными, чем любые предшествующие устройства для измерения времени. Период их колебаний (в низшем приближении) определялся ускорением свободного падения и длиной маятника. Поскольку этот период намного короче суточного вращения Земли, время можно разделить на гораздо меньшие интервалы, что позволит измерять секунды или даже доли секунды.

Тем не менее, вращение Земли по-прежнему было «основными часами», по которым другие часы регулярно калибровались и корректировались.

От кристалла к атому

По мере развития технологий возрастала потребность в тайминге с более высоким разрешением. Маятниковые часы постепенно уступили место кварцевым часам, первые из которых были построены в 1927 году Уорреном Маррисоном и Джозефом Хортоном в тогдашней телефонной лаборатории Белла в США. В этих устройствах электрический ток заставляет кристалл кварца резонировать на определенной частоте, которая намного выше, чем колебания маятника.

Частота таких часов менее чувствительна к возмущениям окружающей среды, чем старые устройства для измерения времени, что делает их более точными. Тем не менее, кварцевые часы основаны на механической вибрации, частота которой зависит от размера, формы и температуры кристалла. Нет двух абсолютно одинаковых кристаллов, поэтому их необходимо откалибровать по другому эталону — это был период вращения Земли, причем секунда определяется как 1/86 400-я часть среднего солнечного дня (см. вставку ниже).

Стандартизация времени

Солнечное время не везде одинаково. В Великобритании, например, Бирмингем отстает от Лондона на восемь минут, а Ливерпуль — на 12 минут. Хотя связь и время в пути между крупными населенными пунктами были медленными, это не имело большого значения. Но ситуация резко изменилась со строительством железных дорог в 19 веке. Разное местное время на каждой станции вызывало путаницу и, по мере расширения сети, все больше несчастных случаев и промахов. Требовалось единое стандартизированное время.

Великая Западная железная дорога проложила путь в 1840 году, и в последующие несколько лет «железнодорожное время» постепенно переняли другие железнодорожные компании. Расписания были стандартизированы по среднему времени по Гринвичу (GMT), и к 1855 году сигналы телеграфно передавались из Гринвича по британской железнодорожной сети. Однако только в 1880 году роль GMT как единого стандартного времени для всей страны была законодательно закреплена. Четыре года спустя на Международной конференции по меридианам, состоявшейся в Вашингтоне, округ Колумбия, США, GMT был принят в качестве эталона для часовых поясов по всему миру, а секунда была официально определена как доля (1/86 400) среднего солнечного дня.

Однако с этим определением секунды возникают проблемы. По мере совершенствования нашей способности измерять эту единицу времени стало ясно, что период вращения Земли непостоянен. Период не только постепенно замедляется из-за приливного трения, но также меняется в зависимости от сезона и, что еще хуже, колеблется непредсказуемым образом.

В 1955 году NPL произвела революцию в хронометрии, когда Луи Эссен и Джек Пэрри изготовили первый практичный цезиевый стандарт атомной частоты (см. вставку ниже). Их устройство не было настоящими часами, поскольку оно не работало непрерывно, а просто использовалось для калибровки частоты внешних кварцевых часов с интервалом в несколько дней. Тем не менее, изучая, как резонансная частота зависит от условий окружающей среды, Эссен и Парри убедительно показали, что переходы между дискретными уровнями энергии в хорошо изолированных атомах цезия могут обеспечить гораздо более стабильную привязку временных интервалов, чем любой стандарт, основанный на движении астрономических частиц. тела. Как позже писал Эссен: «Мы пригласили директора [НПЛ] прийти и стать свидетелями смерти астрономической секунды и рождения атомного времени».

Как работают атомные часы

В цезиевых атомных часах частота микроволнового источника тщательно регулируется до тех пор, пока она не достигнет резонансной частоты, соответствующей разности энергий между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атомов цезия: 9 192 631 770 Гц. . Атомы поглощают микроволновое излучение, и сигнал обратной связи, генерируемый из сигнала поглощения, используется для поддержания настройки источника микроволнового излучения на эту весьма специфическую частоту. Отображение времени создается путем электронного подсчета колебаний источника микроволн.

Оригинальные часы Луи Эссена в Национальной физической лаборатории Великобритании использовали тепловой луч атомов цезия и имели точность около одной 10 10 . В настоящее время в первичных стандартах цезия используется устройство, известное как «атомный фонтан», в котором атомы, охлажденные лазером, выбрасываются вверх через микроволновый резонатор, а затем падают обратно под действием силы тяжести. Использование холодных атомов означает, что время взаимодействия может быть намного больше, чем в часах с тепловым лучом, что дает гораздо более высокое спектральное разрешение. При тщательной оценке систематических сдвигов частоты, возникающих из-за возмущений окружающей среды, лучшие на сегодняшний день цезиевые фонтаны достигли точности в одну часть на 10 16 , хотя для достижения этого уровня измерения должны быть усреднены за несколько дней. Они вносят свой вклад в качестве основных стандартов в Международное атомное время (TAI).

Но показать, что новый стандарт стабилен, было недостаточно, чтобы переопределить второй. Новое определение должно было согласовываться со старым в пределах технического предела неопределенности измерения. Поэтому Эссен и Парри приступили к измерению частоты своего цезиевого стандарта относительно астрономической шкалы времени, распространенной Королевской Гринвичской обсерваторией.

Тем временем астрономы перешли на использование эфемеридного времени, основанного на периоде обращения Земли вокруг Солнца. Их объяснение заключалось в том, что оно более стабильно, чем вращение Земли, но, к сожалению, для большинства практических целей измерения оно непрактично велико. Тем не менее Международный комитет мер и весов последовал их примеру и в 1956 году выбрал эфемеридную секунду в качестве базовой единицы времени в Международной системе единиц. Как выразился Эссен: «Даже научные организации могут принимать нелепые решения».

Смешно или нет, но ему нужно было связать частоту цезия с эфемеридной секундой, задачу, которую он выполнил в сотрудничестве с Уильямом Марковицем из Военно-морской обсерватории США. Наконец, в 1967 году Генеральная конференция по мерам и весам решила, что пришло время переопределить секунду как «длительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». ».

Джек Пэрри и Луи Эссен разработали свой цезиевый стандарт частоты в 1955. (Предоставлено NPL)

Следующее поколение

Более компактные и менее дорогие, хотя и менее точные, версии цезиевых атомных часов также были разработаны, и приложения процветали. Возможно, мы не всегда это осознаем, но точное определение времени лежит в основе многих черт нашей повседневной жизни. Мобильные телефоны, финансовые операции, Интернет, электроэнергия и глобальные навигационные спутниковые системы зависят от стандартов времени и частоты.

Но хотя цезиевый переход оказался надежной основой для определения секунды, цезиевые атомные часы теперь могут достигать предела своей точности, и улучшения могут открыть новые области применения. В ответ на это появляется новое поколение атомных часов, основанное на оптических, а не микроволновых переходах. Эти новые часы получают повышенную точность за счет гораздо более высоких рабочих частот. При прочих равных условиях стабильность атомных часов пропорциональна их рабочей частоте и обратно пропорциональна ширине электронного перехода. Однако на практике стабильность также зависит от отношения сигнал/шум функции атомной абсорбции.

В оптических атомных часах сверхстабильный лазер привязан к спектрально узкому электронному переходу в оптической области спектра — так называемому «часовому переходу». Изучаемые сегодня оптические часы делятся на две категории: одни основаны на одиночных захваченных ионах, охлаждаемых лазером, а другие основаны на ансамблях атомов, охлаждаемых лазером, захваченных в оптической решетке.

Первый, одиночный лазерно-охлажденный ион в радиочастотной электромагнитной ловушке, приближается к спектроскопическому идеалу поглощающей частицы, покоящейся в среде без возмущений. При охлаждении его можно ограничить областью пространства с размерами меньше длины волны света часового лазера, что означает устранение доплеровского уширения характеристики поглощения.

Управляя его остаточным движением, чтобы убедиться, что он тесно связан с центром ловушки, другие систематические сдвиги частоты также могут быть значительно подавлены. Таким образом, этот тип часов имеет потенциал для очень высокой точности. Недостатком является то, что один ион дает сигнал поглощения с низким отношением сигнал/шум, что ограничивает достижимую стабильность часов.

Нейтральные атомы, с другой стороны, могут быть захвачены и охлаждены в больших количествах, что приводит к получению сигнала с гораздо лучшим отношением сигнал/шум. Стабильность, например, улучшается с увеличением квадратного корня из числа атомов, при прочих равных условиях. Теперь исследователи могут удерживать тысячи атомов, охлажденных лазером, в ловушке на оптической решетке — чаще всего это одномерный массив потенциальных ям, образованных пересекающимися лазерными лучами.

Можно было бы ожидать, что световые лучи, используемые для захвата атомов, изменят частоту часового перехода. Однако этого можно избежать, настроив лазер, используемый для создания решетки, на «магическую» длину волны, при которой верхний и нижний уровни часового перехода смещаются точно на одинаковую величину — решение, впервые предложенное в 2001 году Хидетоши Катори из Токийский университет в Японии.

Текущий рекорд стабильности оптических часов принадлежит группе Эндрю Ладлоу из Национального института стандартов и технологий США в Боулдере, штат Колорадо. Их часы на оптической решетке иттербия недавно продемонстрировали стабильность 1/10 18 для времени усреднения в несколько тысяч секунд. Однако оптические часы с захваченными ионами также продемонстрировали стабильность значительно ниже, чем у цезиевых атомных часов, и оба типа теперь достигли оцененных систематических погрешностей на уровне 10 18 . Это намного превосходит точность первичных эталонов цезия и поднимает очевидный вопрос: не пора ли еще раз пересмотреть определение секунды?

Ученые сегодня сосредоточены на оптических часах. (Предоставлено NPL)

Будущее времени

Частота выбранного оптического стандарта, конечно, должна быть точно определена с точки зрения частоты цезия, чтобы избежать каких-либо разрывов в определении. Но этого можно легко добиться, используя фемтосекундную гребенку оптических частот — лазерный источник, спектр которого представляет собой регулярно расположенную гребенку частот — для преодоления разрыва между оптическими и микроволновыми частотами. Одним из препятствий для переопределения является то, что неясно, какие оптические часы в конечном итоге будут лучшими. Каждая изучаемая система имеет свои преимущества и недостатки: некоторые из них обеспечивают более высокую достижимую стабильность, в то время как другие обладают высокой устойчивостью к возмущениям окружающей среды.

Еще одна задача состоит в том, чтобы экспериментально проверить расчетные систематические погрешности путем прямого сравнения оптических часов, разработанных независимо друг от друга в разных лабораториях. Здесь у исследователей в Европе есть преимущество, так как уже можно сравнивать оптические часы в Великобритании, Франции и Германии с необходимым уровнем точности, используя оптоволоконные линии связи. К сожалению, в настоящее время эти методы нельзя использовать в межконтинентальных масштабах, и необходимо найти альтернативные способы связи с оптическими часами в США и Японии.

Дистанционные эксперименты по сравнению часов также должны учитывать гравитационное красное смещение часовых частот. Для оптических часов с погрешностью в одну часть на 10 18 это означает, что гравитационный потенциал в местах расположения часов должен быть известен с точностью, соответствующей примерно 1 см по высоте, что является значительным улучшением по сравнению с современным уровнем техники. Необходимо также учитывать приливные вариации гравитационного потенциала.

Хотя со временем все эти проблемы, скорее всего, будут преодолены, для переопределения второго потребуется международный консенсус, и до этого еще далеко. До тех пор мировое сообщество метрологов времени и частоты согласилось с тем, что оптические атомные часы в принципе могут вносить вклад в международные шкалы времени как вторичные представления секунды.

Действительно, беспрецедентная точность оптических атомных часов уже приносит пользу фундаментальной физике. Например, были установлены улучшенные ограничения на изменение постоянной тонкой структуры (α ≈ 1/137) и отношения масс протонов к электронам в зависимости от времени суток путем сравнения частот различных часов за период в несколько лет.

Оптические часы также могут открыть совершенно новые области применения. Сравнивая частоту переносных оптических часов с фиксированными эталонными часами, мы сможем измерять разность гравитационных потенциалов между хорошо удаленными друг от друга местами с высокой чувствительностью, а также с высоким временным и пространственным разрешением. Такие измерения приведут к более согласованным определениям высоты над уровнем моря — в настоящее время разные страны измеряют относительно разных мареографов, а уровень моря не везде на Земле одинаков. Они также могут позволить нам следить за изменением уровня моря в режиме реального времени, отслеживать сезонные и долгосрочные тенденции в массах ледяных щитов и общие изменения массы океана — данные, которые вносят важный вклад в модели, используемые для изучения и прогнозирования последствий изменения климата. . По иронии судьбы, возможно, мы сможем более подробно изучить Землю, чье вращение изначально определяло секунду, с помощью ее последнего узурпатора: оптических часов.

Атомные часы становятся точнее, меньше и легче