Атомные часы

Атомные часы

FOCS 1, атомные часы в Швейцарии с погрешностью 10⁻¹⁵ , т. е. не более секунды за 30 миллионов лет

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 важны в навигации. Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолетов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) немыслимы 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 $\Delta\nu/\nu$ (где $\Delta\nu$ — отклонение частоты $\nu$ 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:

• квантовый дискриминатор,
• кварцевый генератор,
• комплекс электроники.

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, 5 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 $\Delta\nu/\nu = 10^{-7}$. С целью повышения его стабильности используют колебания атомов или молекул, для чего колебания кварцевого генератора с частотой $\nu_o$ постоянно сравниваются  c помощью частотно-фазового компаратора с частотой атомной линии $\nu_a$, 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 $\Delta\nu/\nu = 10^{-14}$.

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]:

• Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ), п. Менделеево Московской области;
• Национальный институт стандартов и технологий (NIST), Боулдер (США, Колорадо);
• Национальный институт передовой промышленной науки и технологии (англ.) (AIST), Токио (Япония);
• Федеральное физико-техническое агентство (нем.) (PTB), Брауншвейг (Германия);
• Национальная лаборатория метрологии и испытаний (фр.) (LNE), Париж (Франция).

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 репера 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 в стабильном атоме цезия. Характеристики всех остальных (вторичных) стандартов сравниваются с этим стандартом. Для того чтобы осуществить такое сравнение в настоящее время используются так называемые оптические гребёнки (англ.) — 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.

Миниатюрные цезиевые атомные часы (2011)

Ведутся активные разработки компактных атомных часов, для использования в повседневной жизни (наручные часы, мобильные устройства)^[6][7][8][9]. В начале 2011 американская компания Symmetricom объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов размером с небольшую микросхему. Часы работают на основе эффекта когерентного пленения населенности. Их cтабильность — 5 · 10^-11 за час, масса — 35 г, потребляемая мощность — 115 мВт^[10].

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Поставлен новый рекорд точности атомных часов. Membrana (5 февраля 2010). Архивировано из первоисточника 9 февраля 2012. Проверено 4 марта 2011.
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. // УФН. — 1968. — Т. 96. — № 12.
4. ↑ National metrology laboratories (англ.). NIST, 3 февраля 2011 г.  (Проверено 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. — № 2. — ISSN 0031-9007. — DOI:10.1103/PhysRevLett.97.020801
6. ↑ Атомные часы: скоро в мобильниках. CNews (3 сентября 2004). Архивировано из первоисточника 9 февраля 2012. Проверено 13 декабря 2010.
7. ↑ Нанотехнологии ::
8. ↑ Игорь Лалаянц Атомные наручники // Знание - сила. — 2005. — № 9. — ISSN 0130-1640.
9. ↑ Российские физики создали «сердце» миниатюрных атомных часов. Lenta.ru (18 марта 2010). Архивировано из первоисточника 9 февраля 2012. Проверено 13 декабря 2010.
10. ↑ CSAC — SA.45s — Chip Scale Atomic Clock — Symmetricom

Ссылки

• NIST chip-scale atomic clock project. Архивировано из первоисточника 9 февраля 2012.
• Георгий Мешков В атомных часах нового поколения будут использоваться атомы стронция. Компьюлента (5 декабря 2006). Проверено 13 декабря 2010.
• Новый рекорд точности измерения времени достигнут ртутными атомными часами. Полит.ру (25 июля 2006). Архивировано из первоисточника 9 февраля 2012. Проверено 13 декабря 2010.
• Richard Alleyne World's most accurate clock unveiled  (англ.). The Daily Telegraph (16 апреля 2009). Архивировано из первоисточника 9 февраля 2012. Проверено 13 декабря 2010.
• Краткая история атомных часов в NIST. (A Brief History of Atomic Clocks at NIST)  (англ.). The National Institute of Standards and Technology, USA. Архивировано из первоисточника 24 мая 2012. Проверено 26 февраля 2012.