Атомные часы на ходу: новый подход может обеспечить более стабильные и точные портативные атомные часы

Международный стандарт времени устанавливают атомные часы — устройства размером с комнату, которые отсчитывают время, измеряя естественную вибрацию атомов в вакууме. Частота атомных колебаний определяет продолжительность одной секунды — информацию, которая передается на спутники GPS, которые передают данные на наземные приемники по всему миру, синхронизируя сотовые и кабельные сети, электросети и другие распределенные системы.

Теперь группа из Массачусетского технологического института и лаборатории Дрейпера разработала новый подход к атомному хронометражу, который может обеспечить более стабильные и точные портативные атомные часы, потенциально размером с кубик Рубика. Группа изложила свой подход в журнале Physical Review A.

В то время как атомные часы размером с кристалл (CSAC) коммерчески доступны, исследователи говорят, что эти маломощные устройства — размером примерно со спичечный коробок — дрейфуют во времени и менее точны, чем фонтанные часы, гораздо более крупные атомные часы, которые устанавливают мировой стандарт. Однако, хотя фонтанные часы являются наиболее точными хронометрами, их нельзя сделать портативными без потери устойчивости.«Вы можете поместить его в пикап или трейлер и ездить на нем вместе с вами, но я предполагаю, что он не очень хорошо справляется с неровностями на дороге», — говорит соавтор Криш Котру, аспирант в Департамент аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института. «У нас есть путь к созданию компактных и надежных часов, которые на пару порядков лучше, чем CSAC, и более стабильны в течение более длительных периодов времени».

Котру говорит, что такие портативные, стабильные атомные часы могут быть полезны в средах, где сигналы GPS могут быть потеряны, например под водой или в помещении, а также в военных «враждебных условиях», где помехи сигнала могут блокировать традиционные навигационные системы.Соавторами статьи являются Джастин Браун, Дэвид Баттс, Джозеф Кинаст и Ричард Стоунер из Draper Laboratory.

Сдвиг во времениКоманда разработала новый подход к атомному хронометражу, внося несколько «поправок» в стандартный метод.

Самые точные атомные часы сегодня используют атомы цезия в качестве эталона. Как и все атомы, атом цезия имеет характерную частоту или резонанс, на котором он колеблется. С 1960-х годов одна секунда была определена как 9 192 631 770 колебаний атома цезия между двумя уровнями энергии.

Чтобы измерить эту частоту, фонтанные часы подбрасывают небольшие облака медленно движущихся атомов цезия в несколько футов высотой, очень похожие на пульсирующий фонтан, и измеряют их колебания, когда они проходят вверх, а затем вниз через микроволновый луч.Вместо микроволнового луча группа решила исследовать колебания атома с помощью лазерных лучей, которые легче контролировать в пространстве и занимают меньше места — качество, которое помогает уменьшить размеры аппаратов атомных часов. Хотя в некоторых атомных часах также используются лазерные лучи, они часто страдают от эффекта, называемого «сдвиг Штарка переменного тока», при котором воздействие электрического поля, например, создаваемого лазером, может сдвигать резонансную частоту атома.

Этот сдвиг может снизить точность атомных часов.«Это действительно плохо, потому что мы доверяем атомной ссылке», — говорит Котру. «Если это как-то беспокоит, я не знаю, неправильные ли мои некачественные наручные часы или атомы на самом деле неправильные».Чтобы избежать этой проблемы, в большинстве стандартных фонтанных часов вместо лазеров используются микроволновые лучи. Однако Котру и его команда искали способы использовать лазерные лучи, избегая при этом сдвига А.С.

Старка.Хранение времени в миниатюре

В атомных часах на основе лазера лазерный луч доставляется с фиксированной частотой и интенсивностью. Вместо этого команда Котру попробовала более разнообразный подход, названный рамановским адиабатическим быстрым прохождением, применяя лазерные импульсы с изменяющейся интенсивностью и частотой — метод, который также используется в спектроскопии ядерного магнитного резонанса для исследования свойств отдельных молекул.«В нашем подходе мы включаем лазерный импульс и модулируем его интенсивность, постепенно включая его, а затем выключаем, а также берем частоту лазера и качаем ее в узком диапазоне», — объясняет Котру. «Просто делая эти две вещи, вы становитесь намного менее чувствительными к таким систематическим эффектам, как сдвиг Старка».

Фактически, группа обнаружила, что новая система хронометража подавила сдвиг Штарка переменного тока в 100 раз по сравнению с традиционной системой на основе лазера. В отличие от фонтанных часов, которые стреляют атомами вверх более чем на метр, чтобы измерить одну секунду, прибор команды измеряет время с интервалами в 10 миллисекунд — подход, который менее точен, чем фонтанные часы, но гораздо более компактен.«Это нормально, потому что мы не пытаемся сделать мировой стандарт — мы пытаемся сделать что-то, что вписывалось бы, скажем, в кубик Рубика и было стабильным в течение дня или недели», — говорит Котру.По его словам, стабильность и точность системы должны быть сопоставимы с таковыми у микроволновых атомных часов на сегодняшних спутниках GPS, которые громоздки и дороги.

Сделав еще один шаг, команда проверила реакцию системы на физические нагрузки. «Допустим, однажды мы получили его достаточно маленьким, чтобы вы могли положить его в свой рюкзак или в машину», — говорит Котру. «Важно, чтобы он мог работать, пока вы двигаетесь по земле».Не успев физически встряхнуть систему, группа «создала смещение между атомами и лазерным лучом», перемещая лазерный луч из стороны в сторону, исследуя облако атомов.

Даже при такой симулированной тряске система смогла измерить резонансную частоту атомов с высокой степенью чувствительности.Сейчас команда работает над уменьшением размеров других компонентов системы, включая вакуумную камеру и электронику.

«Дополнительная миниатюризация могла бы в конечном итоге привести к портативному устройству со стабильностью на порядки лучше, чем компактные атомные часы, доступные сегодня», — говорит Котру. «Такое устройство удовлетворяет требованиям для более технологичных приложений, таких как синхронизация телекоммуникационных сетей».Это исследование спонсировалось лабораторией Дрейпера.


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.