Атомные часы

Атомные часы

FOCS 1, атомные часы в Швейцарии с погрешностью 10⁻¹⁵ , то есть 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, 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 ${\displaystyle \Delta \nu /\nu }$ (где ${\displaystyle \Delta \nu }$ — отклонение частоты ${\displaystyle \nu }$ часов за некоторый период времени) обычно лежит в пределах 10⁻¹⁴—10⁻¹⁵, а в специальных конструкциях достигает 10⁻¹⁷, и является наилучшей среди всех существующих типов часов.

История создания

Идею о возможности использования атомных колебаний водорода для измерения времени предложил еще в 1879 году английский физик лорд Кельвин, однако только к середине XX века это стало практически возможным. В 1949 году в Национальном бюро стандартов США с участием Гарольда Лайонсона были созданы часы, использующие молекулы аммиака. Но они были не такими точными, как современные атомные часы, поскольку из-за взаимодействия молекул аммиака между собой и со стенками емкости, в которой находилось это вещество, изменялась энергия молекул, и их спектральные линии уширялись. Лишь в 1955 году Луи Эссен из Национальной физической лаборатории Великобритании представил первые атомные часы на цезии-133, которые накапливали ошибку в одну секунду за миллион лет.

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

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

Национальные центры стандартов частоты

Рост точности атомных часов за период 50 лет. NIST, США

Многие страны сформировали национальные центры стандартов времени и частоты:

• 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 (AIST), Токио (Япония);
• Федеральное физико-техническое агентство (PTB), Брауншвейг (Германия);
• Национальная лаборатория метрологии и испытаний (LNE), Париж (Франция).
• Национальная физическая лаборатория Великобритании (NPL), Лондон, Великобритания.

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

Чёрный квадрат на плате - модуль рубидиевых атомных часов производства Microchip Technology, размером 51×51×18 мм

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. 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^{[прояснить]}, 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.

В 2006 году сообщалось, что в атомных часах нового поколения будут использоваться атомы стронция.

Ведутся активные разработки компактных атомных часов для использования в повседневной жизни (наручные часы, мобильные устройства). 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.

На XXVII Генеральной конференции по мерам и весам во Франции (2022 год) решили к 2030 году разработать новое определение секунды. Сейчас в большинстве лабораторий рассматривают часы на основе атомов стронция или иттербия, способных излучать или поглощать фотоны в видимой части спектра; также работают с рубидием, алюминием, ртутью. Так, в российском ФИАН занимаются тулием. Вместе с тем, российские физики изучают принципиально другую схему — ядерные часы, где переходы не электронов, а изомеров (метастабильных состояний ядра, в которых один или несколько нуклонов (протонов или нейтронов) занимают более высокие или низкие энергетические уровни); ожидается, что ядерные часы будут на порядок точнее, чем лучшие современные оптические атомные часы, и приблизятся к уровню 10^-19.

Ссылки

• NIST chip-scale atomic clock project  (неопр.). Архивировано 9 февраля 2012 года.
• Новый рекорд точности измерения времени достигнут ртутными атомными часами  (неопр.). Полит.ру (25 июля 2006). Дата обращения: 13 декабря 2010. Архивировано 9 февраля 2012 года.
• Нина Бирючкова. Сверхточные атомные часы // craftster.ru, 14 апреля 2014

• Richard Alleyne. World's most accurate clock unveiled (англ.). The Daily Telegraph (16 апреля 2009). Дата обращения: 13 декабря 2010. Архивировано 9 февраля 2012 года.
• Краткая история атомных часов в NIST. (A Brief History of Atomic Clocks at NIST) (англ.). The National Institute of Standards and Technology, USA. Дата обращения: 26 февраля 2012. Архивировано 24 мая 2012 года.