Который час? Ответ, каким бы ни был ваш первоначальный ориентир - наручные часы, смартфон или будильник - всегда будет прослеживаться до атомных часов.
Международный стандарт времени устанавливается атомными часами - приборами размером с комнату, которые отсчитывают время, измеряя естественную вибрацию атомов в вакууме. Частота атомных колебаний определяет продолжительность одной секунды - информация, которая передается на спутники GPS, которые передают данные на наземные приемники по всему миру, синхронизируя сотовые и кабельные сети, электрические сети и другие распределенные системы.
Теперь группа из Массачусетского технологического института и Лаборатории Дрейпера разработала новый подход к атомному хронометрированию, который может обеспечить более стабильные и точные портативные атомные часы, потенциально размером с кубик Рубика. Группа изложила свой подход в журнале Physical Review A.
Хотя атомные часы размером с чип (CSAC) имеются в продаже, исследователи говорят, что эти маломощные устройства размером со спичечный коробок со временем дрейфуют и менее точны, чем фонтанные часы, гораздо более крупные атомные часы. часы, которые устанавливают мировой стандарт. Однако, хотя фонтанные часы являются наиболее точными хронометрами, их нельзя сделать портативными без потери стабильности.
«Вы можете поместить его в пикап или трейлер и ездить на нем с собой, но я предполагаю, что он не очень хорошо справится с неровностями на дороге», - говорит соавтор Криш Котру., аспирант кафедры аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института. «У нас есть путь к созданию компактных, 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 условиях, где сигналы GPS могут теряться, например, под водой или в помещении, а также в военных «враждебных условиях», где глушение сигналов может блокировать традиционные навигационные системы.
Соавторами статьи являются Джастин Браун, Дэвид Баттс, Джозеф Кинаст и Ричард Стоунер из Draper Laboratory.
Сдвиг во времени
Команда разработала новый атомарный подход к хронометражу, внеся несколько «корректировок» 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 определяется как 9 192 631 770 колебаний атома цезия между двумя энергетическими уровнями. Чтобы измерить эту частоту, фонтанные часы выбрасывают небольшие облака медленно движущихся атомов цезия на несколько футов в высоту, подобно пульсирующему фонтану, 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 требуют меньше места - качество, которое помогает уменьшить размеры атомных часов. Хотя в некоторых атомных часах также используются лазерные лучи, они часто страдают от эффекта, называемого «штарковским сдвигом переменного тока», при котором воздействие электрического поля, такого как создаваемое лазером, может сдвигать резонансную частоту атома. Этот сдвиг может снизить точность атомных часов.
«Это очень плохо, потому что мы доверяем атомарной ссылке», - говорит Котру. «Если это каким-то образом нарушено, я не знаю, ошибаются 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 сдвига Старка AC.
Время хранения в миниатюре
В атомных часах на основе лазера лазерный луч подается с фиксированной частотой и интенсивностью. Команда Котру вместо этого попробовала более разнообразный подход, называемый рамановским адиабатическим быстрым прохождением, применяя лазерные импульсы изменяющейся интенсивности и частоты - метод, который также используется в спектроскопии ядерного магнитного резонанса для изучения особенностей отдельных молекул.
«Для нашего подхода мы включаем лазерный импульс и модулируем его интенсивность, постепенно включая и выключая его, и мы берем частоту лазера и сканируем ее в узком диапазоне», - объясняет Котру. «Просто делая эти две вещи, вы становитесь намного менее чувствительными к таким систематическим эффектам, как сдвиг Старка».
На самом деле, группа обнаружила, что новая система хронометража подавляла штарковский сдвиг переменного тока в 100 раз по сравнению с обычной системой на основе лазера. В отличие от фонтанных часов, которые выбрасывают атомы более чем на метр вверх, чтобы отмерить одну секунду, устройство команды измеряет время с интервалом в 10 миллисекунд - подход менее точный, чем у фонтанных часов, но гораздо более компактный.
"Это нормально, потому что мы не пытаемся сделать мировой стандарт - мы пытаемся сделать что-то, что поместится, скажем, в кубик Рубика и будет стабильным в течение дня или недели", Котру говорит.
Стабильность и точность системы, по его словам, должны быть сравнимы с микроволновыми атомными часами на современных спутниках GPS, которые громоздки и дороги.
Сделав еще один шаг, команда проверила реакцию системы на физические нагрузки. «Допустим, однажды мы получим 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».
Немного физически встряхнув систему, группа «создала смещение между атомами и лазерным лучом», перемещая лазерный луч из стороны в сторону, исследуя облако атомов. Даже при такой имитации встряхивания система смогла измерить резонансную частоту атомов с высокой степенью чувствительности.
В настоящее время команда работает над уменьшением размеров других компонентов системы, включая вакуумную камеру и электронику.
«Дополнительная миниатюризация может в конечном итоге привести к портативному устройству со стабильностью на несколько порядков лучше, чем у доступных сегодня компактных атомных часов», - говорит Котру. «Такое устройство удовлетворило бы требованиям более технологически интенсивных приложений, таких как синхронизация телекоммуникационных сетей».