Атомные часы

А́томные часы́ (молекулярные, квантовые часы) — прибор для измерения времени, в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул.

Атомные часы
FOCS 1, атомные часы в Швейцарии с погрешностью 10−15 , то есть не более секунды за 30 миллионов лет

Атомные часы важны в навигации. Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолётов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) невозможны без атомных часов. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио.

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. Согласно этому определению, атом цезия-133 является стандартом для измерений времени и частоты. Точность определения секунды определяет точность определения других основных единиц, таких как, например, вольт или метр, содержащих секунду в своём определении.

Стабильность атомных часов (где  — отклонение частоты часов за некоторый период времени) обычно лежит в пределах 10−14—10−15, а в специальных конструкциях достигает 10−17[1], и является наилучшей среди всех существующих типов часов[1].

Устройство часов
Схема атомных часов

Часы состоят из нескольких частей:

Кварцевый генератор представляет собой автогенератор, в качестве резонансного элемента которого используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла. Генерируемые им электромагнитные колебания имеют фиксированную частоту, равную, как правило,[2] 10 МГц, 5 МГц или 2,5 МГц, с возможностью перестройки в небольших пределах (±10−6, например, изменением температуры кристалла). Обычно долговременная стабильность кварцевого резонатора мала и составляет около . С целью повышения его стабильности используют колебания атомов или молекул, для чего колебания кварцевого генератора с частотой постоянно сравниваются c помощью частотно-фазового компаратора с частотой атомной линии , регистрируемой в квантовом дискриминаторе. При появлении разницы в фазе и частоте колебаний схема обратной связи подстраивает частоту кварцевого генератора до требуемого значения, повышая тем самым стабильность и точность часов до уровня .

В СССР идеологом создания атомных часов был академик Николай Геннадиевич Басов[3].

Национальные центры стандартов частоты
Рост точности атомных часов за период 50 лет. NIST, США

Многие страны сформировали национальные центры стандартов времени и частоты[4]:

Учёные разных стран работают над совершенствованием атомных часов и основанных на них государственных первичных эталонов времени и частоты, точность таких часов неуклонно повышается. В России обширные исследования, направленные на улучшение характеристик атомных часов, проводятся в Физическом институте им. Лебедева.

Типы атомных часов

Не всякий атом (молекула) подходит в качестве дискриминатора для атомных часов. Выбирают атомы, которые нечувствительны к различным внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. В каждом диапазоне электромагнитного спектра излучения имеются такие атомы. Это: атомы кальция, рубидия, цезия, стронция, молекулы водорода, йода, метана, оксид осмия(VIII) и т. д. В качестве основного (первичного) стандарта частоты выбран сверхтонкий переход атома цезия. Характеристики всех остальных (вторичных) стандартов сравниваются с этим стандартом. Для того, чтобы осуществить такое сравнение, в настоящее время используются так называемые оптические гребёнки — излучение с широким частотным спектром в виде эквидистантных линий, расстояние между которыми привязывается к атомному стандарту частоты. Оптические гребёнки получают с помощью фемтосекундного лазера с синхронизацией мод и микроструктурированного оптоволокна, в котором происходит уширение спектра до одной октавы.

В 2006 году исследователи из американского Национального института стандартов и технологий под руководством Джима Бергквиста (англ. Jim Bergquist) разработали часы, действующие на одном атоме ртути[5]. При переходах между энергетическими уровнями иона ртути генерируются фотоны видимого диапазона со стабильностью в 5 раз выше, чем микроволновое излучение цезия-133. Новые часы могут также найти применение в исследованиях зависимости изменения фундаментальных физических постоянных от времени. По состоянию на апрель 2015 года самыми точными атомными часами являлись часы, созданные в Национальном институте стандартов и технологий США[6]. Погрешность составила лишь одну секунду в 15 миллиардов лет. В качестве одного из возможных применений часов указывалась релятивистская геодезия, основная идея которой — использование сети часов в качестве гравитационных датчиков, что поможет провести невероятно детальное трёхмерное измерение формы Земли.

Ведутся активные разработки компактных атомных часов для использования в повседневной жизни (наручные часы, мобильные устройства)[7][8][9][10]. В начале 2011 американская компания Symmetricom объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов размером с небольшую микросхему. Часы работают на основе эффекта когерентного пленения населённости. Их стабильность — 5 · 10-11 за час, масса — 35 г, потребляемая мощность — 115 мВт[11].

Примечания
  1. Поставлен новый рекорд точности атомных часов (недоступная ссылка). Membrana (5 февраля 2010). Дата обращения: 4 марта 2011. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  2. Указанные частоты характерны именно для прецизионных кварцевых резонаторов, с самой высокой добротностью и стабильностью частоты, достижимой при использовании пьезоэффекта. Вообще же, кварцевые генераторы используются на частотах от единиц кГц до нескольких сотен МГц. (Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. — М.: Радио и связь, 1984. — С. 121, 122. — 232 с. — 27 000 экз.)
  3. Н. Г. Басов, В. С. Летохов. Оптические стандарты частоты // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 1968. — Т. 96, № 12.
  4. National metrology laboratories (англ.). NIST, 3 февраля 2011 г.  (Дата обращения: 14 июня 2011)
  5. Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Single-Atom Optical Clock with High Accuracy (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — American Physical Society, 4 июля 2006. — Vol. 97, no. 2. — ISSN 0031-9007. — doi:10.1103/PhysRevLett.97.020801.
  6. М. Паймакова. Новые атомные часы отстанут на секунду через 15 миллиардов лет // Вести.Ru. — 22 апреля 2015.
  7. Атомные часы: скоро в мобильниках (недоступная ссылка). CNews (3 сентября 2004). Дата обращения: 13 декабря 2010. Архивировано 3 января 2012 года.
  8. Нанотехнологии ::
  9. Игорь Лалаянц. Атомные наручники // Знание - сила. — 2005. — № 9. — ISSN 0130-1640. Архивировано 24 июня 2008 года.
  10. Российские физики создали «сердце» миниатюрных атомных часов. Lenta.ru (18 марта 2010). Дата обращения: 13 декабря 2010.
  11. Chip Scale Atomic Clock (CSAC) SA.45s

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.