Благодаря методу синтетической частоты, созданному сотрудниками Института лазерной физики СО РАН совместно с Национальным институтом метрологии Германии и Ганноверским университетом им. Лейбница, удастся значительно уменьшить погрешность атомных часов при нормальных условиях окружающей среды. Статья о работе была опубликована в New Journal of Physics.
Измерение времени — одна из древнейших проблем, решение которой продолжается на протяжении всей истории человечества. С развитием науки и техники задачи людей менялись, и если раньше применение часов сводилось в основном к разделению суток на интервалы, то сегодня они необходимы для работы любого электронного оборудования. Во многих устройствах до сих пор используются кварцевые генераторы, позволяющие достигать нестабильности на уровне 10-10, однако для актуальных потребностей этого уже недостаточно. Улучшить показатели точности на несколько порядков можно, применяя атомные стандарты частоты.
По словам главного научного сотрудника Института лазерной физики СО РАН доктора физико-математических наук Валерия Ивановича Юдина, в современном понимании часы представляют собой стабилизированную синусоиду, сопровождаемую счетчиком периодов колебаний. Их погрешность зависит от влияния множества факторов, таких как гравитационные, магнитные, электрические поля Земли и так далее, на изменение частоты колебаний синусоиды.
Атом с точки зрения квантовой механики — это микроскопический объект, для которого характерны переходы из одних состояний в другие, происходящие с частотой во много раз превышающей частоты колебаний используемых в кварцевых часах кристаллов. Для последних максимальные показатели составляют около 100 мегагерц, а в случае с атомными переходами счет может идти на десятки и сотни терагерц, в результате чего они меньше подвержены внешнему влиянию, чем колебательные системы кварцевых измерителей времени.
«Самые точные атомные часы — оптические. Их нестабильность достигает фантастической цифры, 10-18, которая просто недостижима для микроволновых атомных часов. К примеру, если бы мы начали отсчет времени с момента образования Вселенной, то за 14 миллиардов лет ошибка бы не превысила и одной секунды. В таких устройствах используется лазер, способный выдавать синусоиду, совершающую до 1015 колебаний в секунду», — отмечает Валерий Юдин.
Сегодня атомные часы активно используются для работы систем GPS и ГЛОНАСС, передачи больших массивов информации на значительные расстояния, в военной и космической отраслях. Однако, помимо технической сферы, существует фундаментальная область применения высокоточных часов.
«Многие наверняка слышали о существовании физических констант, которые, согласно некоторым современным теориям, по мере развития Вселенной могут меняться, — рассказывает Валерий Иванович. — Чтобы это произошло, должно пройти несколько миллиардов лет, поэтому отследить данный процесс без специальных приборов просто невозможно. Атомные часы позволяют значительно сократить время эксперимента. Проведя измерения в начале и в конце года, мы поймем, что произошло с частотами атомных переходов за выбранный период и сможем увидеть изменение констант».
Важнейшим условием достижения минимальной погрешности атомных часов на уровне 10-19 в обычных условиях является подавление так называемого теплового сдвига. Именно эту задачу поставили перед собой ученые в новом исследовании. Как отмечает Валерий Юдин, любой нагретый макроскопический объект испускает тепловые фотоны, способные изменять частоту атомных переходов, что делает весьма трудным создание измерителей времени со стабильностью выше 10-17. Конечно, часы можно поместить в идеальные условия, применив криогенную технику, но сотрудники ИЛФ СО РАН пошли другим путем.
Чтобы решить проблему, ученые разработали комбинированные атомные часы. Их особенностью является использование суперпозиции (суммы) сразу двух частот с калибровочным коэффициентом.
«Задействовав два, образно говоря, камертончика в одном атоме, мы можем сгенерировать так называемую синтетическую частоту, которая на два порядка менее чувствительна к тепловым фотонам в комнатных условиях, чем обычные атомные часы», — рассказывает Валерий Юдин.
Для создания готовых приборов измерения времени с применением новой разработки потребуется два часовых лазера, каждый из которых будет стабилизирован за отведенный ему атомный переход, а также устройство, способное объединить их частоты в суперпозиционную частоту.
Метод, разработанный сотрудниками института, позволит сократить расходы на производство высокоточных атомных часов за счет отсутствия необходимости использовать дорогостоящую и громоздкую криогенную технику. Помимо этого, появится возможность создания мобильных измерительных приборов, которые будут полезны, например, для проведения исследований гравитационных полей в различных местах.
В данный момент технология находится на начальном этапе своего существования, ученые высказали идеи и произвели расчеты. Теперь важно, чтобы экспериментаторы обратили внимание на новый способ подавления теплового сдвига и приступили к работе над его практической реализацией.
УППНД СО РАН
22.08.2021
Нет комментариев