Содержание
В России созданы сверхточные часы
В России созданы часы размером со спичечную коробку, точность которых в сто тысяч раз больше самых продвинутых кварцевых часов.
США, Германия, Франция, Япония, Китай, Индия и другие ведущие страны наперегонки разрабатывают подобные стандарты частоты, так как их внедрение в информационных технологиях, навигации, связи и транспорте означает огромный рывок в экономике.
Работы над развитием атомных часов в рамках проектов Росстандарта позволят повысить точность спутниковых систем навигации с двух-пяти метров до нескольких сантиметров, а без этого разработки в области беспилотного транспорта теряют смысл. Установка таких часов в обычные компьютеры позволит создавать распределенные системы, не уступающие по своей мощности самым дорогим суперкомпьютерам: в них с безупречной точностью будет синхронизировано между собой решение миллионов подзадач для выполнения одной большой задачи. А для обычного пользователя это означает на порядки более быстрый Интернет.
Миниатюрное устройство разработали во Всероссийском НИИ физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт). Институт известен тем, что именно он отвечает за точное время в нашей стране. Руководителю проекта по созданию малогабаритного рубидиевого стандарта — доктору физико-математических наук Виталию Пальчикову — довелось работать за рубежом с несколькими лауреатами Нобелевской премии в области разработки сверхстабильных стандартов частоты.
Миниатюрные атомные часы означают переворот в экономике: на них основаны навигация для беспилотников, суперкомпьютеры и сверхбыстрый Интернет
В повседневной жизни мы постоянно используем такие стандарты частоты, которые синхронизируют между собой множество элементов в системах связи и навигации. Без них рассыплются мобильные сети, перестанет работать GPS и ГЛОНАСС, остановится передача данных по волоконно-оптическим линиям связи, по которым идет трафик Интернета.
Рубидиевый стандарт на два порядка повышает точность синхронизации, открывая тем самым принципиально новые возможности. В его основе — тот же колебательный процесс, что и у маятниковых или кварцевых часов, только колебания обеспечивает атом — один из самых точных естественных «хронометров» во Вселенной. Атомные часы заменят кварцевые в массовых устройствах, как только будут решены две задачи — их объем доведен до одного-двух кубических сантиметров, а стоимость — до ста долларов.
Объем атомных часов сегодня составляет 15-20 кубических сантиметров, но следующее поколение будет еще меньше (2 кубических сантиметра), а также еще точнее — за счет применения технологии лазерного охлаждения. Корреспондент «Российской газеты» стал одним из первых, кто увидел практически готовое изделие. В этом году ВНИИ ФТРИ планирует приступить к опытно-конструкторским работам, малосерийное производство можно будет начать через два-три года, рассказал «Российской газете» генеральный директор института Сергей Донченко.
В устройстве применяется очень сложная, новая элементная база и полупроводниковый лазер с узкой спектральной линией, четко настроенной на квантовый переход рубидия. Часть деталей изготавливается на 3D-принтере. Испытания показывают, что квантовые часы устойчивы к удару, способны работать при больших нагрузках и ускорениях. При этом в разных точках небольшого объема поддерживается разная температура, отличающаяся на десятки градусов.
100 тысяч раз — на столько рубидиевый стандарт частоты точнее самых продвинутых кварцевых часов
Измерение точного времени имеет множество прикладных применений. На этом строится не только навигация и спутниковая связь, но и безопасность атомных объектов, геодезия и разведка полезных ископаемых. «Внедрение малогабаритного квантового стандарта частоты особенно актуально в системах, критичных к массе и габаритам, — рассказал «Российской газете» заместитель руководителя Росстандарта Сергей Голубев. — Речь идет о беспилотных летательных аппаратах, переносных и мобильных системах различного назначения, измерительной аппаратуре, использующей кварцевые генераторы».
Cсылка: http://gost.ru/wps/portal/pages/press-center/about/?article_id=7300
Физики создали основу для сверхточных атомных часов — Наука
ТАСС, 6 мая. Европейские и российские ученые создали и проверили методику, благодаря которой можно отслеживать положение электронов в окрестностях сильно заряженных ионов. Это открытие позволит создать сверхточные атомные часы, пишут ученые в научном журнале Nature.
«Подобные часы, сделанные на основе сильно заряженных ионов, будут особенно интересны для науки. В частности, их точность впервые позволит физикам провести эксперименты по поискам самых легких форм темной материи, следов новой физики в вариациях значений фундаментальных констант, а также еще раз проверить теорию относительности», – прокомментировала открытие Марианна Сафронова, физик из Дэлаверского университета (США).
Атомные часы – это сверхточная система измерения времени. Маятником в ней служат ионы иттербия или некоторых других химических элементов с особыми физическими свойствами.
Они находятся внутри специальных электромагнитных ловушек и охлаждаются до температур, близких к абсолютному нулю.
Алгоритм, который управляет работой атомных часов, периодически облучает эти ионы особым лазерным лучом, заставляя их внешние электроны колебаться между разными энергетическими уровнями. Атомы одного типа «переключаются» между этими состояниями за одно и то же время и с одной и той же частотой, что позволяет очень точно отслеживать ход времени.
Создание подобных часов почти десять лет назад позволило физикам увеличить точность замера времени на несколько порядков. Тем не менее, подобный прибор все же остается уязвим перед различными внешними помехами. С большинством этих проблем, как давно знают ученые, можно справиться с помощью так называемых сильно заряженных ионов – атомов, которые лишены не одного-двух, а нескольких десятков электронов.
Проблема, как пишут ученые из Петербургского института ядерной физики в Гатчине, а также их зарубежные коллеги, заключается в том, что у физиков не было точных представлений о том, как устроены энергетические уровни и как ведут себя электроны, вращающиеся вокруг подобных ионов.
Аналогичным образом их свойства нельзя просчитать теоретическими методами с точностью, которая была бы достаточна для работы атомных часов.
Специалисты решили эту проблему, обратив внимание на закономерность, вдохновением для которой послужила теория относительности Эйнштейна. В соответствии с ее выкладками масса иона должна несколько измениться, если один из его электронов перейдет из состояния покоя на более высокие энергетические уровни. Это позволяет изучать структуру этих уровней и то, насколько разные переходы пригодны для создания атомных часов, не разрушая при этом сам ион.
Руководствуясь этой идеей, авторы статьи провели первые замеры такого рода для сильно заряженных ионов рения, одного из самых редких элементов на Земле. Для этого ученые лишили атомы рения сразу 29 электронов и поместили их в специальную «матрешку» из пяти вложенных друг в друга ловушек, чьи электромагнитные поля заставляли ионы двигаться по круговой волнистой линии. Любые изменения в их массе меняли характер движения ионов внутри ловушки, что позволяло ученым очень точно измерять эти сдвиги.
Подобный прием позволил физикам детально изучить структуру энергетических уровней в ионах рения и сделать большой шаг в сторону создания сверхточных атомных часов на основе подобных частиц. Сам рений нельзя использовать для создания таких приборов, однако эту методику, как заключают ученые, можно применять и для изучения свойств ионов других элементов, подходящих на эту роль.
Эксперименты с сверхточными атомными часами подтверждают предсказания Эйнштейна о времени
Чтобы создать оптические атомные часы, исследователи охладили атомы стронция почти до абсолютного нуля внутри вакуумной камеры. Охлаждение заставило атомы выглядеть как светящийся синий шар, плавающий в камере.
(Изображение предоставлено Шимоном Колковицем)
Используя одни из самых точных атомных часов в мире, физики показали, что время идет немного медленнее, если вы измените свою высоту над поверхностью Земли на 0,008 дюйма (0,2 миллиметра) — примерно вдвое больше ширины листа бумаги. Это открытие является еще одним подтверждением теории Альберта Эйнштейна.
0003 теория относительности , которая предсказывает, что массивные объекты, такие как наша планета, искажают ход времени и заставляют его замедляться.
«Мы говорим об измерении изменения хода часов на уровне чуть больше человеческого волоса», — сказал Тобиас Ботвелл, аспирант физического факультета JILA, который находится в ведении Национального института стандартов и технологии (NIST) и Университет Колорадо.
В 1915 году Эйнштейн показал, что все, что имеет массу, искажает ткань пространство-время — эффект, который мы ощущаем как силу гравитации. Вы можете думать, что гравитация тормозит течение времени. Эта умопомрачительная идея означает, что часы, расположенные ближе к Земле, идут медленнее, чем те, которые находятся дальше от нее — явление, называемое замедлением времени .
Похожие: 8 способов увидеть теорию относительности Эйнштейна в реальной жизни0003 Experimental Tests of the Nature of Time » (Fullerton College, 2020).
В 2010 году ученые установили новый рекорд, измерив прохождение времени с помощью двух атомных часов на основе алюминия , разделенных в примерно на 1 фут (33 сантиметра), обнаружив, что тот, что выше, работает немного быстрее, сказал Ботвелл. может измерять частоту», — сказал Ботвелл.0005
В эксперименте использовалась коллекция примерно из 100 000 атомов изотопа стронция 87, который часто используется в атомных часах, охлажденных до доли градуса выше абсолютного нуля и помещенных в структуру, известную как оптическая решетка. Оптическая решетка использует пересекающиеся лучи лазерного света для создания ландшафта пиков и долин, напоминающего коробку для яиц, где каждый атом находится в одной из долин, согласно NIST .
Каждый стронций 9Атом 0004 колеблется взад и вперед, тикая сам по себе внутри своей долины 500 триллионов раз в секунду, как маятник микроскопических напольных часов, что позволяет команде измерять доли секунды с точностью до невероятных 19 знаков после запятой, согласно статье 2018 года в журнале журнал Proceedings of the National Academy of Sciences (открывается в новой вкладке).
Атомы стронция в оптической решетке расположены во многих слоях, как стопка блинов, сказал Ботвелл. Направив лазер на слои, он и его коллеги смогли измерить, как быстро тикают атомы в каждом слое.
«Когда вы идете сверху вниз, вы видите, что каждый слой танцует немного по-разному благодаря гравитации «, — сказал он. Результаты были опубликованы 16 февраля в журнале Nature (открывается в новой вкладке).
«Эксперименты с часами такого рода могут пролить свет на природу самого времени», — сказал Мукунд Венгалатторе, независимый физик-атомщик, не участвовавший в работе.
Это потому, что атомы стронция способны находиться в так называемой суперпозиции состояний, то есть в двух состояниях одновременно, добавил он. Согласно квантовая механика , частицы могут существовать в двух местах (или состояниях) одновременно, поэтому будущие эксперименты могут поместить атом стронция в суперпозицию, где он находится в двух разных «блинах» одновременно, сказал Венгалатторе.
С частицей, находящейся в обоих местах одновременно, команда могла затем измерить ход времени в разных точках вдоль наложенного атома стронция, который будет меняться благодаря различной гравитационной силе, которую он ощущает. Это должно показать, что «на одном конце частицы время течет с одной скоростью», — сказал Венгалатторе. «А на другом конце он работает с другой скоростью».
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ СОДЕРЖИМОЕ
Эта невероятно причудливая возможность лежит в основе различий между квантовым и классическим мирами, добавил он. Классические объекты, такие как теннисные мячи и люди, не могут существовать в суперпозиции, когда они находятся в двух местах одновременно. Но где происходит переключение между квантовым и классическим, неясно. Увеличивая расстояние между блинами, исследователи могли бы заставить частицу становиться все больше и больше и потенциально увидеть, когда она перестанет вести себя как квантовая частица, а скорее как классическая.
Такие эксперименты могут позволить физикам приблизиться к долгожданной мечте — теории всего , которая объединила бы теорию относительности Эйнштейна, описывающую очень большое, с квантовой механикой, описывающей очень малое.
Между тем, текущий эксперимент помог команде найти способы производства еще более точных атомных часов, сказал Ботвелл. Он добавил, что будущие инструменты можно будет использовать для измерения крошечных различий в массе Земли под ними, что может сделать часы полезными для обнаружения потока магмы внутри вулканов, изменений в талой воде внутри ледников или движения плит земной коры.
Первоначально опубликовано на Live Science .
Примечание редактора: эта статья была обновлена, чтобы указать, что атомные часы на самолетах идут заметно быстрее (не «медленнее»), чем на земле.
Адам Манн — независимый журналист с десятилетним стажем, специализирующийся на астрономии и физике. Он имеет степень бакалавра астрофизики Калифорнийского университета в Беркли. Его работы публиковались в New Yorker, New York Times, National Geographic, Wall Street Journal, Wired, Nature, Science и многих других изданиях. Он живет в Окленде, штат Калифорния, где любит кататься на велосипеде.
Сверхточные атомные часы готовы к новым открытиям в физике
Одним из первых шагов в создании оптических атомных часов, используемых в этом исследовании, является охлаждение атомов стронция почти до абсолютного нуля в вакуумной камере, благодаря чему они выглядят как светящийся голубой шар, плавающий в камере. Предоставлено: Шимон Колковиц.
Физики Университета Висконсин-Мэдисон создали атомные часы с одними из самых высоких характеристик за всю историю, они объявили 16 февраля в журнале 9.0081 Природа .
Их инструмент, известный как атомные часы на оптической решетке, может измерять разницу во времени с точностью, эквивалентной потере всего одной секунды каждые 300 миллиардов лет, и является первым примером «мультиплексированных» оптических часов, в которых могут существовать шесть отдельных часов. в той же среде. Его конструкция позволяет команде тестировать способы поиска гравитационных волн, пытаться обнаружить темную материю и открывать новую физику с помощью часов.
«Часы на оптической решетке уже являются лучшими часами в мире, и здесь мы получаем такой уровень производительности, которого никто раньше не видел», — говорит Шимон Колковиц, профессор физики Университета Вашингтона в Мэдисоне и старший автор исследования. «Мы работаем как над улучшением их производительности, так и над разработкой новых приложений, которые станут возможными благодаря этой повышенной производительности».
Атомные часы настолько точны, потому что они используют фундаментальное свойство атомов: когда электрон меняет энергетический уровень, он поглощает или излучает свет с частотой, одинаковой для всех атомов определенного элемента. Оптические атомные часы отсчитывают время с помощью лазера, точно настроенного на эту частоту, и для точного отсчета времени им требуются одни из самых сложных в мире лазеров.
Для сравнения, у группы Колковица «относительно паршивый лазер», говорит он, поэтому они знали, что любые построенные ими часы сами по себе не будут самыми точными или точными.
Но они также знали, что для многих последующих применений оптических часов потребуются портативные коммерчески доступные лазеры, подобные их. Разработка часов, которые могли бы использовать обычные лазеры, была бы благом.
В своем новом исследовании они создали мультиплексированные часы, в которых атомы стронция можно разделить на несколько часов, расположенных в одну линию в одной и той же вакуумной камере. Используя только одни атомные часы, команда обнаружила, что их лазер надежно возбуждает электроны в том же количестве атомов только в течение одной десятой секунды.
Однако, когда они одновременно посветили лазером на двое часов в камере и сравнили их, количество атомов с возбужденными электронами оставалось одинаковым между двумя часами до 26 секунд. Их результаты означали, что они могли проводить значимые эксперименты гораздо дольше, чем позволял их лазер в обычных оптических часах.
«Обычно наш лазер ограничивал бы производительность этих часов», — говорит Колковиц.
«Но поскольку часы находятся в одной и той же среде и испытывают точно такой же лазерный свет, эффект лазера полностью исчезает».
Затем группа спросила, как точно они могут измерить разницу между часами. Две группы атомов, находящихся в немного разных средах, будут двигаться с несколько разной скоростью в зависимости от гравитации, магнитных полей или других условий.
Они провели свой эксперимент более тысячи раз, измеряя разницу в частоте хода своих двух часов в течение примерно трех часов. Как и ожидалось, поскольку часы находились в двух немного разных местах, их тиканье немного отличалось. Команда продемонстрировала, что по мере того, как они проводили все больше и больше измерений, им удавалось лучше измерять эти различия.
В конце концов, исследователи смогли обнаружить разницу в скорости хода двух часов, которая соответствовала бы их расхождению всего на одну секунду каждые 300 миллиардов лет — измерение точного хронометража, установившее мировой рекорд для двух пространственно разнесенных часов.
.
Это также было бы мировым рекордом по самой точной разнице частот, если бы не другая статья, опубликованная в том же номере Nature . Это исследование было проведено группой из JILA, исследовательского института в Колорадо. Группа JILA обнаружила разницу частот между верхом и низом рассеянного облака атомов примерно в 10 раз лучше, чем группа UW-Madison.
Их результаты, полученные на расстоянии одного миллиметра, также представляют собой кратчайшее на сегодняшний день расстояние, на котором общая теория относительности Эйнштейна была проверена с помощью часов. Группа Колковица планирует вскоре провести аналогичный тест.
«Удивительно то, что мы продемонстрировали такую же производительность, как и группа JILA, несмотря на то, что мы используем лазер на несколько порядков хуже», — говорит Колковиц. «Это действительно важно для многих реальных приложений, где наш лазер выглядит намного больше, чем то, что вы использовали бы в полевых условиях».
Чтобы продемонстрировать потенциальное применение своих часов, команда Колковица сравнила изменения частоты между каждой парой из шести мультиплексированных часов в цикле.
Они обнаружили, что разница в сумме равна нулю, когда они возвращаются к первым часам в цикле, подтверждая согласованность их измерений и устанавливая возможность обнаружения крошечных изменений частоты в этой сети.
«Представьте, что облако темной материи проходит через сеть часов — есть ли способ увидеть эту темную материю в этих сравнениях?» — спрашивает Колковиц. «Это эксперимент, который мы можем провести сейчас, и который вы просто не могли провести ни в одной из предыдущих экспериментальных систем».
Дополнительная информация:
Шимон Колковиц, Сравнение дифференциальных часов с мультиплексированными часами на оптической решетке, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04344-y. www.nature.com/articles/s41586-021-04344-y
Связано: Тобиас Ботвелл, Определение гравитационного красного смещения в атомном образце миллиметрового масштаба, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04349-7. www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7
Информация журнала:
Природа
Предоставлено
Университет Висконсин-Мэдисон
Цитата :
Сверхточные атомные часы готовы к новым открытиям в физике (16 февраля 2022 г.