Физики и сотрудники JILA продемонстрировали первую «шкалу времени» следующего поколения - систему, которая объединяет данные от нескольких атомных часов для создания единого высокоточного сигнала хронометража для распространения. Шкала времени JILA превосходит лучшие существующие центры распространения официального времени по всему миру и предлагает возможность предоставления более точного времени миллионам клиентов, таких как финансовые рынки, компьютерные и телефонные сети.
Новая архитектура шкалы времени сочетает в себе сверхнадежные усовершенствованные атомные часы со сверхстабильным устройством для хранения сигналов времени и представляет собой «проект обновления шкал времени во всем мире», как описано в журнале Physical Review Letters.
JILA находится под совместным управлением Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Колорадо в Боулдере.
«Я думаю, что эта демонстрация новой шкалы времени будет очень важна для переопределения времени в будущем», - сказал Джун Йе, научный сотрудник NIST/JILA и руководитель проекта.
Недавнее переопределение Международной системы единиц (СИ) не изменило способ измерения времени. Стандартная единица времени, секунда, была основана на свойствах атома цезия с 1967 года. Ожидается, что в ближайшие годы международное научное сообщество изменит определение секунды, выбрав новый атом в качестве основы для стандартных атомных часов и официальных часов. хронометраж.
Чтобы подготовиться к этому изменению, исследователям необходимо обновить системы распределения времени.
NIST управляет национальными гражданскими шкалами времени, массивами водородных мазеров - микроволновых версий лазеров, - которые обеспечивают надежные колебательные сигналы для поддержания стабильного «тикания» официального США. S. гражданское время суток, которое привязано к международному времени (Всемирное координированное время или UTC). Два атомных часа на основе цезиевого стандарта, называемые NIST-F1 и NIST-F2, используются для калибровки и обеспечения точности шкал времени.
Как и атомные часы следующего поколения, экспериментальная шкала времени JILA полностью работает на оптических частотах, которые намного выше, чем микроволновые частоты цезиевых стандартов времени. Оптические частоты делят время на более мелкие единицы и, таким образом, могут обеспечивать большую точность.
Попытки включить новейшие оптические атомные часы в старые микроволновые шкалы времени натолкнулись на ограничения долговременной стабильности из-за свойств, присущих мазерам, и флуктуаций, связанных с их привязкой к экспериментальным часам, которые работают с перерывами.
Команда JILA решила эти проблемы, оптимизировав более стабильный тип генератора и строго контролируя рабочие условия, такие как температура, чтобы их высокостабильные и точные часы на решетке стронция могли работать регулярно по требованию.
Генератор формируется лазерным лучом, направленным в полую полость, сделанную из монокристалла кремния, внутри которой лазерный свет определенного цвета или частоты регулярно в течение длительного времени отражается туда-сюда, как метроном. Эти устройства существуют уже много лет, но в результате длительного сотрудничества JILA с Physikalisch-Technische Bundesanst alt (PTB), немецким национальным метрологическим институтом, был найден новый способ их создания, значительно улучшающий стабильность света. Недавно команда JILA еще больше повысила долговременную стабильность своего резонатора длиной 21 сантиметр, работающего при криогенных температурах 124 К (минус 149,15 °С), за счет использования сверхполированной оптики и улучшенного контроля температуры, среди прочих настроек.
В шкале времени JILA оптическая частотная гребенка (линейка для света) передает стабильный оптический сигнал из этой полости в другой, очень стабильный лазер, который освещает атомы часов и синхронизирует частоту света с их тиканьем.. Два дополнительных лазера стабилизированы в независимых резонаторах. Многочисленные лазеры и резонаторы обеспечивают резервирование в случае возникновения каких-либо неполадок.
Стабильность генератора непрерывно сравнивалась со стабильностью микроволновой шкалы времени NIST по ранее существовавшей подземной оптоволоконной линии связи между JILA в университетском городке и NIST примерно в миле отсюда. В течение месяца измерений стабильность частоты оптического генератора неизменно превышала стабильность частоты мазеров в микроволновом диапазоне времени.
Экспериментальные результаты показывают, что архитектура шкалы времени JILA превосходит микроволновые шкалы времени, даже когда мазеры откалиброваны атомными часами следующего поколения. Анализ группы показывает, что при использовании оптических часов JILA в 50% случаев полностью оптическая шкала времени может достичь уровня стабильности примерно в 10 раз лучше, чем стандартная микроволновая шкала времени, или 1 × 10-17, через несколько месяцев. усреднения.
Еще одно практическое преимущество заключается в том, что частоту генератора можно предсказать с помощью обычных методов микроволнового анализа, что позволяет команде оценить погрешность синхронизации всего в 48 ± 94 пикосекунды (триллионные доли секунды) после 34 дней работы.
Запланированы дополнительные технические обновления, включая автоматизацию, которая должна позволить часам работать более 50% времени. Исследователи также планируют включить сигнал оптической шкалы времени в шкалу времени NIST, используя подземную оптоволоконную сеть.
Работа поддерживается NIST, Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны, Управлением научных исследований ВВС, Национальным научным фондом, PTB и Cluster of Excellence (Quantum Frontiers).