Атомные часы

Чтобы узнать о часах, обновляемых радиосигналами, см. Радиочасы . О часах как мере риска катастрофических разрушений см. «Часы Судного дня» . Чтобы узнать о других темах, см. Атомные часы (значения) .

Атомные часы
Физики NIST Стив Джеффертс (на переднем плане) и Том Хивнер с атомными часами с цезиевым фонтаном NIST-F2, гражданским стандартом времени в Соединенных Штатах.
Классификация	Часы
Промышленность	Телекоммуникации , наука
Приложение	ТАИ , спутниковая навигация
Источник топлива	Электричество
Работает	Да

Главный ансамбль атомных часов в Военно-морской обсерватории США в Вашингтоне, округ Колумбия , который обеспечивает стандарт времени для Министерства обороны США. На заднем плане установлены стойки с часами Microsemi (ранее HP) 5071A на цезиевом луче. Черные блоки на переднем плане — это стандарты водородного мазера Microsemi (ранее Sigma-Tau) MHM-2010.

Атомные часы — это часы , которые измеряют время, отслеживая резонансную частоту атомов. В его основе лежат атомы, имеющие разные энергетические уровни . Электронные состояния в атоме связаны с разными энергетическими уровнями, и при переходах между такими состояниями они взаимодействуют с весьма специфической частотой электромагнитного излучения . Это явление служит основой для в Международной системе единиц (СИ) определения секунды :

Второй символ s — единица времени в системе СИ. Это определяется путем принятия фиксированного числового значения частоты цезия, $\Delta \nu _{\text{Cs}}$, частота невозмущенного сверхтонкого перехода в основное состояние атома цезия-133 составит 9 192 631 770 , если выражать ее в единицах Гц, что равно с. ⁻¹ .

Это определение лежит в основе системы Международного атомного времени (TAI), которая поддерживается ансамблем атомных часов по всему миру. Система всемирного координированного времени (UTC) , которая является основой гражданского времени, реализует дополнительные секунды , чтобы позволить часам отслеживать изменения во вращении Земли с точностью до одной секунды, при этом она основана на часах, которые основаны на определении секунды, хотя и на основе определения секунды. секунды будут прекращены в 2035 году.

Возможности точного хронометража атомных часов также используются для навигации с помощью спутниковых сетей, таких как Союза Европейского программа Галилео США и GPS . измерения времени Точность задействованных атомных часов важна, поскольку чем меньше ошибка измерения времени, тем меньше ошибка измерения расстояния, полученная путем умножения времени на скорость света (погрешность измерения времени составляет наносекунду или 1 миллиардную долю секунды ( 10 ⁻⁹ или 1 ⁄ 1 000 000 000 секунды) приводит к расстоянию почти 30 сантиметров (11,8 дюйма) и, следовательно, к ошибке позиционирования).

Основная разновидность атомных часов использует атомы цезия , охлажденные до температур , приближающихся к абсолютному нулю . Основной стандарт США, Национального института стандартов и технологий (NIST) часы с цезиевым фонтаном под названием NIST-F2 , измеряют время с погрешностью 1 секунда за 300 миллионов лет (относительная погрешность 10 ⁻¹⁶ ). NIST-F2 был запущен 3 апреля 2014 года.

История

Луи Эссен (справа) и Джек Пэрри (слева) стоят рядом с первыми в мире атомными часами на основе цезия-133 в 1955 году в Национальной физической лаборатории на западе Лондона.

Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл предложил измерять время с помощью вибраций световых волн в своем «Трактате об электричестве и магнетизме» 1873 года: «Более универсальную единицу времени можно было бы найти, взяв периодическое время вибрации определенного вида света, длина волны которого — единица длины». Максвелл утверждал, что это будет более точно, чем вращение Земли , которое определяет среднюю солнечную секунду для измерения времени.

В 1930-х годах американский физик Исидор Исаак Раби построил оборудование для часов с частотой магнитного резонанса атомного пучка .

Точность механических, электромеханических и кварцевых часов снижается из-за колебаний температуры. Это привело к идее измерения частоты колебаний атома для более точного измерения времени, предложенной Джеймсом Клерком Максвеллом, лордом Кельвином и Исидором Раби. Он предложил эту концепцию в 1945 году, что привело к демонстрации часов на основе аммиака в 1949 году. Это привело к созданию первых практически точных атомных часов с атомами цезия, построенных в Национальной физической лаборатории Соединенного Королевства в 1955 году. Луи Эссена в сотрудничестве с Джеком Пэрри.

Цезиевые атомные часы 1975 года (верхний блок) и резервная батарея (нижний блок)

В 1949 году Кастлер и Броссель разработал метод, называемый оптической накачкой , для перехода уровней энергии электронов в атомах с помощью света. Этот метод полезен для создания гораздо более сильных сигналов магнитного резонанса и микроволнового поглощения. К сожалению, это вызвало побочный эффект в виде небольшого смещения резонансной частоты. Коэн-Таннуджи и другим удалось уменьшить сдвиги света до приемлемого уровня.

Рэмзи разработал метод, широко известный сегодня как интерферометрия Рамсея , для более высоких частот и более узких резонансов в осциллирующих полях. Кольский, Фиппс, Рэмси и Силсби использовали этот метод для молекулярно-лучевой спектроскопии в 1950 году.

После 1956 года атомные часы изучались многими группами, такими как Национальный институт стандартов и технологий (ранее Национальное бюро стандартов) в США, Физико-технический Bundesanstalt (PTB) в Германии, Национальный исследовательский совет (NRC) в Канаде, Национальной физической лаборатории в Великобритании, Международном бюро времени ( фр . Bureau International de l'Heure , сокращенно BIH), в Парижской обсерватории , Национальной радиокомпании , Bomac, Varian , Hewlett-Packard и Frequency & Time. Системы.

В 1950-е годы Национальная радиокомпания продала более 50 единиц первых атомных часов « Атомихрон» . В 1964 году инженеры Hewlett-Packard выпустили стоечную модель цезиевых часов 5060.

Определение второго

В 1968 году длительность второго была определена как 9 192 631 770 колебаний невозмущенной частоты сверхтонкого перехода основного состояния атома цезия-133. До этого оно определялось как 31 556 925,9747 тропическом секунды в 1900 году . Определение 1968 года было обновлено в 2019 году, чтобы отразить новые определения ампера , кельвина , килограмма и моля, принятые при переопределении Международной системы единиц в 2019 году . Исследователи хронометража в настоящее время работают над разработкой еще более стабильной атомной точки отсчета секунды, планируя найти более точное определение секунды по мере совершенствования атомных часов на основе оптических часов или постоянной Ридберга примерно к 2030 году.

Достижения метрологии и оптические часы

Часы на решетке иттербия , которые используют фотоны для точного измерения времени

Технологические разработки, такие как лазеры и гребенки оптических частот, в 1990-х годах привели к повышению точности атомных часов. Лазеры позволяют контролировать переходы атомных состояний в оптическом диапазоне, частота которых намного выше, чем у микроволн; в то время как гребенка оптических частот очень точно измеряет такие высокочастотные колебания света.

Первое достижение, превосходящее точность цезиевых часов, произошло в НИСТ в 2010 году, когда были продемонстрированы оптические часы с «квантовой логикой», в которых использовались ионы алюминия для достижения точности в 10 раз. ⁻¹⁷ . Оптические часы являются очень активной областью исследований в области метрологии, поскольку ученые работают над разработкой часов на основе элементов иттербия , ртути , алюминия и стронция . Ученые из JILA продемонстрировали стронциевые часы с частоты точностью 10 ⁻¹⁸ в 2015 году. Ученые из NIST разработали квантовые логические часы, которые измеряли один ион алюминия в 2019 году с погрешностью частоты 10. ⁻¹⁹ .

На выставке JILA в сентябре 2021 года ученые продемонстрировали оптические стронциевые часы с точностью дифференциальной частоты 7,6 × 10. ⁻²¹ . Ожидается, что второе определение будет пересмотрено, когда сфера оптических часов станет зрелой, примерно в 2026 или 2030 году. Чтобы это произошло, оптические часы должны быть способны постоянно измерять время с очень высокой точностью. Кроме того, необходимо продемонстрировать методы надежного и точного сравнения различных оптических часов по всему миру в национальных метрологических лабораториях.

Атомные часы в масштабе чипа

Сердцем миниатюрных атомных часов нового поколения NIST, тикающих на высоких «оптических» частотах, является паровая ячейка на чипе, показанная для масштаба рядом с кофейным зерном.

Помимо повышения точности, разработка атомных часов в масштабе микросхемы расширила количество мест, где можно использовать атомные часы. В августе 2004 года учёные NIST продемонстрировали атомные часы размером с микросхему , которые были в 100 раз меньше обычных атомных часов и имели гораздо меньшее энергопотребление — 125 мВт . Атомные часы были размером с рисовое зернышко и имели частоту около 9 ГГц. Эта технология стала коммерчески доступна в 2011 году. Атомные часы в масштабе одного чипа требуют менее милливатт мощности 30 .

Национальный институт стандартов и технологий создал программу NIST на чипе для разработки компактных способов измерения времени с помощью устройства диаметром всего несколько миллиметров.

В настоящее время (2022 г.) метрологи разрабатывают атомные часы, в которых используются новые разработки, такие как ионные ловушки и оптические гребенки, для достижения большей точности.

Как работают атомные часы

Стандарты времени

Атомные часы основаны на системе атомов, которые могут находиться в одном из двух возможных энергетических состояний. Подготавливается группа атомов в одном состоянии, затем подвергается микроволновому излучению. Если излучение имеет правильную частоту, ряд атомов перейдут в другое энергетическое состояние . Чем ближе частота к собственной частоте колебаний атомов, тем больше атомов будут переключать состояния. Такая корреляция позволяет очень точно настроить частоту микроволнового излучения. Как только микроволновое излучение настроено на известную частоту, при которой максимальное количество атомов переключает состояния, атом и, следовательно, связанная с ним частота перехода могут использоваться в качестве генератора времени для измерения прошедшего времени.

Атомные часы имеются в ряде национальных метрологических лабораторий: в том числе в Парижской обсерватории , Физико-техническом федеральном институте (PTB) в Германии, Национальном институте стандартов и технологий (NIST) в Колорадо и Мэриленде , США, JILA в Университете Колорадо в Боулдере , Национальная физическая лаборатория (НФЛ) в Великобритании и Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технической и радиотехнической метрологии . Они делают это, разрабатывая и создавая стандарты частоты, которые производят электрические колебания на частоте, связь которой с частотой перехода цезия-133 известна, чтобы добиться очень низкой неопределенности. Эти первичные стандарты частоты оценивают и корректируют различные частотные сдвиги, включая релятивистские доплеровские сдвиги , связанные с движением атомов, тепловым излучением окружающей среды ( сдвигом черного тела ) и рядом других факторов. Лучшие первичные эталоны в настоящее время дают секунду СИ с точностью, приближающейся к неопределенности в одну часть. 10 ¹⁶ .

Важно отметить, что на таком уровне точности нельзя игнорировать различия гравитационного поля в устройстве. Затем стандарт рассматривается в рамках общей теории относительности, чтобы определить правильное время в определенной точке.

Международное бюро мер и весов (BIPM) предоставляет список частот, которые служат вторичным представлением секунды . Этот список содержит значения частот и соответствующие стандартные неопределенности для микроволнового перехода рубидия и других оптических переходов, включая нейтральные атомы и одиночные захваченные ионы. Эти вторичные стандарты частоты могут иметь точность до одной десятичной . ¹⁸ ; однако неопределенности в списке составляют одну часть из 10. ¹⁴ – 10 ¹⁶ . Это связано с тем, что неопределенность центрального эталона цезия, по которому калибруются вторичные эталоны, составляет одну десятичную . ¹⁴ – 10 ¹⁶ .

Первичные стандарты частоты можно использовать для калибровки частоты других часов, используемых в национальных лабораториях. Обычно это коммерческие цезиевые часы, имеющие очень хорошую долговременную стабильность частоты, поддерживающие частоту со стабильностью лучше, чем 1 часть из 10. ¹⁴ в течение нескольких месяцев. Неопределенность первичных стандартных частот составляет около одной десятичной . ¹³ .

Водородные мазеры , основанные на сверхтонком переходе атомарного водорода на частоте 1,4 ГГц, также используются в лабораториях метрологии времени. Мазеры превосходят любые коммерческие цезиевые часы с точки зрения кратковременной стабильности частоты. В прошлом эти приборы использовались во всех приложениях, требующих постоянного опорного сигнала в течение периодов времени менее одного дня (стабильность частоты примерно 1 часть из десяти). для времени усреднения в несколько часов). Поскольку некоторые активные водородные мазеры имеют скромный, но предсказуемый дрейф частоты со временем, они стали важной частью ансамбля коммерческих часов МБМВ, реализующих Международное атомное время.

Синхронизация со спутниками

Показания часов, работающих в метрологических лабораториях, работающих с МБМВ, должны быть известны очень точно. Некоторые операции требуют синхронизации атомных часов, разделенных огромными расстояниями в тысячи километров. Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) обеспечивают удовлетворительное решение проблемы передачи времени. Атомные часы используются для трансляции сигналов времени в Глобальной системе позиционирования США (GPS) Российской Федерации , Глобальной навигационной спутниковой системе Европейского Союза (ГЛОНАСС), системе Galileo и китайской BeiDou системе .

Сигнал, полученный от одного спутника в метрологической лаборатории, оснащенной приемником с точно известным положением, позволяет определить разницу во времени между местной шкалой времени и временем системы ГНСС с погрешностью в несколько наносекунд при усреднении за 15 минут. Приемники позволяют одновременно принимать сигналы от нескольких спутников и использовать сигналы, передаваемые на двух частотах. По мере запуска и начала работы большего количества спутников измерения времени станут более точными.

Эти методы сравнения времени должны вносить поправки на эффекты специальной теории относительности и общей теории относительности в несколько наносекунд.

Международный хронометраж

Точки данных, представляющие атомные часы по всему миру, которые определяют Международное атомное время (TAI).

Национальные лаборатории обычно используют различные часы. Они работают независимо друг от друга, и их измерения иногда объединяются для создания более стабильной и точной шкалы, чем у любых отдельных часов. Эта шкала позволяет сравнивать время между различными часами в лаборатории. Эти атомные временные шкалы обычно обозначаются как TA(k) для лабораторного k.

Всемирное координированное время (UTC) — это результат сравнения часов в национальных лабораториях по всему миру с Международным атомным временем (TAI) с последующим добавлением дополнительных секунд по мере необходимости. TAI представляет собой средневзвешенное значение около 450 часов примерно в 80 учреждениях, занимающихся измерением времени. Относительная стабильность TAI составляет примерно одну десятую . ¹⁶ .

Перед публикацией TAI частота результата сравнивается с секундой SI в различных первичных и вторичных стандартах частоты. Это требует применения релятивистских поправок к местоположению первичного стандарта, которые зависят от расстояния между равным гравитационным потенциалом и вращающимся геоидом Земли. Значения вращающегося геоида и TAI незначительно меняются каждый месяц и доступны в публикации BIPM Circular T. Временная шкала TAI откладывается на несколько недель, поскольку рассчитывается среднее значение атомных часов по всему миру.

TAI не распространен в повседневном хронометраже. Вместо этого для поправки на вращение Земли добавляется или вычитается целое число дополнительных секунд, в результате чего получается UTC. Количество дополнительных секунд изменено таким образом, чтобы средний солнечный полдень на Гринвичском меридиане не отклонялся от полудня по всемирному координированному времени более чем на 0,9 секунды.

Национальные метрологические учреждения поддерживают приближение UTC, называемое UTC(k) для лаборатории k. UTC(k) распространяется Консультативным комитетом МБМВ по времени и частоте. Смещение UTC-UTC(k) рассчитывается каждые 5 дней, результаты публикуются ежемесячно. Атомные часы записывают время UTC(k) с точностью не более 100 наносекунд. В некоторых странах UTC(k) — это официальное время, которое передается по радио, телевидению, телефону, Интернету, оптоволоконным кабелям , передатчикам сигналов времени и говорящим часам. Кроме того, GNSS предоставляет информацию о времени с точностью до нескольких десятков наносекунд или лучше.

Типы

Цезий

Основная статья: Стандарт цезия

Секунда СИ определяется как определенное количество невозмущенных сверхтонких переходов основного состояния атома цезия-133. Поэтому стандарты цезия считаются основными стандартами времени и частоты.

К цезиевым часам относятся часы NIST-F1 , разработанные в 1999 году, и часы NIST-F2 , разработанные в 2013 году.

Цезий обладает рядом свойств, которые делают его хорошим выбором для атомных часов. В то время как атом водорода движется со скоростью 1600 м/с при комнатной температуре, а атом азота — со скоростью 510 м/с, атом цезия движется с гораздо меньшей скоростью — 130 м/с из-за своей большей массы. Сверхтонкая частота цезия (~9,19 ГГц) также выше, чем у других элементов, таких как рубидий (~6,8 ГГц) и водород (~1,4 ГГц). Высокая частота цезия позволяет проводить более точные измерения. Эталонные цезиевые трубки, соответствующие национальным стандартам, в настоящее время служат около семи лет и стоят около 35 000 долларов США. Первичные стандарты частоты и времени, такие как атомные часы стандарта времени США, NIST-F1 и NIST-F2, используют гораздо более высокую мощность.

Блок-схема

Упрощенная блок-схема типичного коммерческого эталона частоты цезиевого пучка

В опорной частоте цезиевого луча сигналы синхронизации поступают от высокостабильного управляемого напряжением кварцевого генератора (VCXO), который настраивается в узком диапазоне. Выходная частота VCXO (обычно 5 МГц) умножается синтезатором частоты для получения микроволн на частоте сверхтонкого перехода атома цезия (около 9192,6317 МГц ) . Выходной сигнал синтезатора частоты усиливается и подается в камеру, содержащую газообразный цезий, который поглощает микроволны. Выходной ток цезиевой камеры увеличивается по мере увеличения поглощения.

Оставшаяся часть схемы просто регулирует рабочую частоту VCXO, чтобы максимизировать выходной ток цезиевой камеры, которая поддерживает настройку генератора на резонансную частоту сверхтонкого перехода.

Рубидий

Основная статья: Стандарт рубидия

Группа летчиков ВВС США с рубидиевыми часами.

BIPM определяет невозмущенную частоту сверхтонкого перехода в основное состояние атома рубидия-87, 6 834 682 610,904 312 6 Гц, в терминах стандартной частоты цезия. Поэтому атомные часы, основанные на рубидиевых стандартах, считаются вторичным представлением секунды.

Стандартные часы из рубидия ценятся за низкую стоимость и небольшие размеры (коммерческие стандарты составляют всего 1,7 × 10 ⁵ мм ³ ) и краткосрочная стабильность. Они используются во многих коммерческих, портативных и аэрокосмических приложениях. Современные стандартные трубки из рубидия служат более десяти лет и могут стоить всего 50 долларов США. В некоторых коммерческих приложениях используется рубидиевый стандарт, периодически корректируемый приемником системы глобального позиционирования (см. Генератор, управляемый GPS ). Это обеспечивает превосходную краткосрочную точность, а долгосрочную точность соответствует национальным стандартам времени США (и соответствует им).

Водород

Основная статья: Водородный мазер

Водородный мазер

BIPM определяет невозмущенную частоту оптического перехода нейтрального атома водорода-1, 1 233 030 706 593 514 Гц, в терминах стандартной частоты цезия. Поэтому атомные часы, основанные на водородных стандартах, считаются вторичным представлением секунды.

Водородные мазеры имеют превосходную краткосрочную стабильность по сравнению с другими стандартами, но более низкую долговременную точность. Долговременная стабильность стандартов водородных мазеров снижается из-за изменения свойств резонатора с течением времени. Относительная погрешность водородных мазеров составляет 5 × 10. ⁻¹⁶ на периоды 1000 секунд. Это делает водородные мазеры полезными для радиоастрономии , в частности для интерферометрии с очень длинной базой .

Водородные мазеры используются в качестве генераторов-маховиков в атомных стандартах частоты с лазерным охлаждением и для передачи сигналов времени из национальных лабораторий стандартов, хотя их необходимо корректировать, поскольку они со временем отклоняются от правильной частоты. Водородный мазер также полезен для экспериментальной проверки эффектов специальной и общей теории относительности, таких как гравитационное красное смещение .

Механизм измерения времени

Определение Международной системы единиц

Основная статья: Второй

С 1968 года SI определяет секунду как продолжительность 9 192 631 770 циклов излучения, соответствующую переходу между двумя энергетическими уровнями основного состояния атома цезия-133. В 1997 году Международный комитет мер и весов (CIPM) добавил, что предыдущее определение относится к атому цезия, находящемуся в состоянии покоя при температуре абсолютного нуля .

Это определение делает цезиевый генератор основным стандартом для измерения времени и частоты, называемым цезиевым стандартом. После переопределения основных единиц СИ в 2019 году определение каждой базовой единицы, кроме родинки , и почти каждой производной единицы, основано на определении второй.

Настройка и оптимизация

Основой традиционных радиочастотных атомных часов является перестраиваемый микроволновый резонатор, содержащий газ. В водородных мазерных часах газ излучает микроволны (газовые мазеры ) при сверхтонком переходе, поле в резонаторе колеблется, и резонатор настроен на максимальную микроволновую амплитуду. В качестве альтернативы, в часах из цезия или рубидия луч или газ поглощает микроволны, а полость содержит электронный усилитель, заставляющий часы колебаться. Для обоих типов атомы газа готовятся в одном сверхтонком состоянии перед заполнением ими полости. Для второго типа детектируется количество атомов, меняющих сверхтонкое состояние, и резонатор настраивается на максимум обнаруженных изменений состояния.

Большая часть сложности часов заключается в этом процессе настройки. Настройка пытается исправить нежелательные побочные эффекты, такие как частоты других электронных переходов, изменения температуры и разброс частот, вызванный вибрацией молекул, включая доплеровское уширение . Один из способов сделать это — изменить частоту микроволнового генератора в узком диапазоне для генерации модулированного сигнала на детекторе. Затем сигнал детектора можно демодулировать , чтобы применить обратную связь для контроля долговременного дрейфа радиочастоты.

Таким образом, квантово-механические свойства частоты атомного перехода цезия можно использовать для настройки микроволнового генератора на ту же частоту, за исключением небольшой экспериментальной ошибки . При первом включении часов генератору требуется некоторое время для стабилизации. На практике механизм обратной связи и мониторинга гораздо сложнее.

Многие из новых часов, включая микроволновые часы, такие как часы с захваченными ионами или фонтанные часы, а также оптические часы, такие как решетчатые часы, используют протокол последовательного опроса, а не опрос с частотной модуляцией, описанный выше. Преимущество последовательного опроса состоит в том, что он может обрабатывать гораздо более высокие значения добротности, при этом время звонка составляет секунды, а не миллисекунды. Эти часы также обычно имеют мертвое время , в течение которого коллекции атомов или ионов анализируются, обновляются и переводятся в правильное квантовое состояние, после чего они опрашиваются сигналом гетеродина ( LO) в течение времени, возможно, секунды. или около того. Затем анализ конечного состояния атомов используется для генерации корректирующего сигнала, чтобы частота гетеродина была привязана к частоте атомов или ионов.

Часовой механизм

Все устройства для измерения времени используют колебательные явления для точного измерения времени, будь то вращение Земли для солнечных часов , качание маятника в старинных часах , вибрации пружин и шестерен в часах или изменения напряжения в кварцевом кристалле. смотреть . Однако на все эти показатели легко влияют изменения температуры , и они не очень точны. Самые точные часы используют атомные вибрации для отслеживания времени. Переходные состояния часов в атомах нечувствительны к температуре и другим факторам окружающей среды, а частота колебаний намного выше, чем у любых других часов (в режиме микроволновой частоты и выше).

Одним из наиболее важных факторов производительности часов является коэффициент качества атомной линии Q , который определяется как отношение абсолютной частоты $\nu _{0}$ резонанса к ширине линии самого резонанса $\Delta \nu$. Атомный резонанс имеет гораздо более высокую добротность , чем механические устройства. Атомные часы также можно в гораздо большей степени изолировать от воздействия окружающей среды. Преимущество атомных часов заключается в том, что атомы универсальны, а это означает, что частота колебаний также универсальна. В этом его отличие от кварцевых и механических устройств измерения времени, которые не имеют универсальной частоты.

Качество часов можно определить по двум параметрам: точности и стабильности. Точность — это измерение степени, в которой можно рассчитывать на соответствие скорости тикания часов некоторому абсолютному стандарту, например, свойственной сверхтонкой частоте изолированного атома или иона. Стабильность описывает, как часы работают при усреднении по времени, чтобы уменьшить влияние шума и других кратковременных колебаний (см. Точность ).

Нестабильность атомных часов определяется их отклонением Аллана. $\sigma _{y}(\tau )$. Предельная нестабильность из-за статистики подсчета атомов или ионов определяется выражением

$\sigma _{y,\,{\rm {atoms}}}(\tau )\approx {\frac {\Delta \nu }{\nu _{0}{\sqrt {N}}}}{\sqrt {\frac {T_{\text{c}}}{\tau }}},$

где $\Delta \nu$ - спектроскопическая ширина линии часовой системы, $N$ количество атомов или ионов, используемых в одном измерении, $T_{\text{c}}$ - время, необходимое для одного цикла, и $\tau$ это период усреднения. Это означает, что нестабильность меньше, когда ширина линии $\Delta \nu$ меньше, и когда ${\sqrt {N}}$ ( отношение сигнал/шум ) больше. Стабильность улучшается с течением времени $\tau$ время, по которому усредняются измерения, увеличивается от секунд до часов и дней. На стабильность больше всего влияет частота генератора. $\nu _{0}$. Вот почему оптические часы, такие как стронциевые часы (429 ТГц), гораздо более стабильны, чем цезиевые часы (9,19 ГГц).

Установлено, что современные часы, такие как атомные фонтаны или оптические решетки, в которых используется последовательный опрос, генерируют тип шума, который имитирует и усиливает нестабильность, присущую подсчету атомов или ионов. Этот эффект называется эффектом Дика. и обычно является основным ограничением стабильности новых атомных часов. Это эффект сглаживания; Высокочастотные компоненты шума в гетеродине («LO») гетеродинируются до частоты, близкой к нулевой, за счет гармоник повторяющегося изменения чувствительности обратной связи к частоте гетеродина. Этот эффект предъявляет новые и более строгие требования к гетеродину, который теперь должен иметь низкий фазовый шум в дополнение к высокой стабильности, тем самым увеличивая стоимость и сложность системы. Для случая гетеродина с фликкер-частотным шумом где $\sigma _{y}^{\rm {LO}}(\tau )$ не зависит от $\tau$, время допроса $T_{i}$, и где коэффициент заполнения $d=T_{i}/T_{c}$ имеет типичные значения $0.4<d<0.7$, отклонение Аллана можно аппроксимировать как

$\sigma _{y,\,{\rm {Dick}}}(\tau )\approx {\frac {\sigma _{y}^{\rm {LO}}}{\sqrt {2\ln(2)}}}\cdot \left|{\frac {\sin(\pi d)}{\pi d}}\right|\cdot {\sqrt {\frac {T_{c}}{\tau }}}.$

Это выражение показывает ту же зависимость от $T_{c}/{\tau }$ как и $\sigma _{y,\,{\rm {atoms}}}(\tau )$, а для многих новых часов оно значительно больше. Анализ эффекта и его последствий применительно к оптическим стандартам рассмотрен в большом обзоре (Ludlow et al., 2015). в котором жаловались на «пагубное влияние эффекта Дика» и в ряде других статей.

Точность

Историческая точность атомных часов от NIST

Точность атомных часов постоянно улучшалась с момента появления первого прототипа в 1950-х годах. Первое поколение атомных часов было основано на измерении атомов цезия, рубидия и водорода. В период с 1959 по 1998 год NIST разработал серию из семи микроволновых часов на основе цезия-133, названных от NBS-1 до NBS-6 и NIST-7 после того, как агентство изменило свое название с Национального бюро стандартов на Национальный институт стандартов. и технологии. Первые часы имели точность 10 ⁻¹¹ , а последние часы имели точность 10 ⁻¹⁵ . В часах впервые использовался цезиевый фонтан , который представил Джеррод Захариас , и лазерное охлаждение атомов, которое было продемонстрировано Дэйвом Вайнлендом и его коллегами в 1978 году.

Следующий шаг в развитии атомных часов предполагает переход от точности 10 ⁻¹⁵ с точностью 10 ⁻¹⁸ и даже 10 ⁻¹⁹ . Цель состоит в том, чтобы переопределить секунду, когда часы станут настолько точными, что они не будут терять или увеличивать время более чем на секунду в возрасте Вселенной . Для этого ученые должны продемонстрировать точность часов, в которых используются стронций , иттербий и оптической решетки технология . Такие часы также называются оптическими часами, где используемые переходы энергетических уровней происходят в оптическом режиме (приводя к еще более высокой частоте колебаний), что, таким образом, имеет гораздо более высокую точность по сравнению с традиционными атомными часами.

Цель атомных часов с 10 ⁻¹⁶ Соединенного Королевства. Национальной физической лаборатории NPL-CsF2 с цезиевым фонтаном точность была впервые достигнута в часах США и NIST-F2 . Повышение точности с NIST-F1 до NIST-F2 обусловлено жидким азотом охлаждением области микроволнового взаимодействия ; Самым большим источником неопределенности в NIST-F1 является эффект излучения черного тела от стенок теплой камеры.

Оцениваются характеристики первичных и вторичных стандартов частоты, влияющих на Международное атомное время (TAI). Отчеты об оценке отдельных (в основном первичных) часов публикуются в Интернете Международным бюро мер и весов (BIPM).

Исследовать

Экспериментальные стронция оптические часы на основе

Большинство исследований сосредоточено на зачастую противоречивых целях: сделать часы меньше, дешевле, портативнее, энергоэффективнее, точнее , стабильнее и надежнее. «Эксперимент с часами холодного атома в космосе» (CACES), в ходе которого тестируются часы холодного атома на околоземной орбите в условиях микрогравитации, и « Ансамбль атомных часов в космосе» . Примерами исследования часов являются

Вторичные представления второго

Список частот, рекомендуемых для вторичного представления секунды, поддерживается Международным бюро мер и весов (BIPM) с 2006 года и доступен в Интернете . Список содержит значения частот и соответствующие стандартные неопределенности для микроволнового перехода рубидия и для нескольких оптических переходов. Эти вторичные стандарты частоты имеют точность на уровне 10 ⁻¹⁸ ; однако неопределенности, представленные в списке, находятся в диапазоне 10 ⁻¹⁴ – 10 ⁻¹⁵ поскольку они ограничены привязкой к первичному стандарту цезия, который в настоящее время (2018 г.) определяет второй.

Тип	Рабочая частота ( Гц )	Относительное отклонение Аллана (типичные часы)	Ссылка
133 Cs	9.192 631 770 × 10 9 по определению	10 −13
87 руб.	6.834 682 610 904 324 × 10 9	10 −12
1 ЧАС	1.420 405 751 7667 × 10 9	10 −15
Оптические часы ( 87 Сэр )	4.292 280 042 298 734 × 10 14	10 −17
Оптические часы ( 27 Ал + )	1.121 015 393 207 859 16 × 10 15	10 −18
Оптические часы ( 171 Ыб + , 642 ТГц)	6.421 214 967 726 4512 × 10 14	10 −18
Оптические часы ( 171 Ыб + , 688 ТГц)	6.883 589 793 093 0824 × 10 14	10 −16

Экспериментальные атомные часы двадцать первого века, которые обеспечивают вторичное представление секунды, не основанное на цезии, становятся настолько точными, что, вероятно, будут использоваться в качестве чрезвычайно чувствительных детекторов для других целей, помимо измерения частоты и времени. Например, частота атомных часов слегка изменяется под действием гравитации, магнитных и электрических полей, силы, движения, температуры и других явлений. Экспериментальные часы продолжают совершенствоваться, и лидерство в производительности перемещается между различными типами экспериментальных часов.

Квантовые часы

Дополнительная информация: Квантовые часы.

В марте 2008 года физики из НИСТ описали квантовые логические часы, на отдельных ионах бериллия основанные и алюминия . Эти часы сравнивали с ртутно- ионными часами NIST. Это были самые точные часы, которые когда-либо были построены: часы не спешили и не отставали со скоростью, превышающей секунду за более чем миллиард лет. В феврале 2010 года физики NIST описали вторую, улучшенную версию квантовых логических часов, основанную на отдельных ионах магния и алюминия. В 2010 году считались самыми точными часами в мире с дробной погрешностью частоты 8,6 × 10. ⁻¹⁸ , он обеспечивает более чем вдвое большую точность, чем оригинал.

В июле 2019 года учёные NIST продемонстрировали такой Al. ⁺ квантовые логические часы с полной погрешностью 9,4 × 10 ⁻¹⁹ , что является первой демонстрацией таких часов с погрешностью ниже 10 ⁻¹⁸ и остаются самыми точными часами в мире.

С тех пор точность экспериментальных квантовых часов была заменена экспериментальными часами на оптической решетке на основе стронция-87. и иттербий-171 .

Концепция ядерных (оптических) часов

Основная статья: Ядерные часы

Одной из теоретических возможностей улучшения характеристик атомных часов является использование перехода ядерной энергии (между различными ядерными изомерами ), а не переходов атомных электронов , которые измеряют современные атомные часы. Большинство ядерных переходов происходит на слишком высокой частоте, чтобы ее можно было измерить, но исключительно низкая энергия возбуждения ^{229 м}
че
производит « гамма-лучи » в ультрафиолетовом диапазоне частот. В 2003 году Эккехард Пейк и Кристиан Тамм отметил, что это делает возможным создание часов с помощью современных методов оптического измерения частоты. В 2012 году было показано, что ядерные часы на основе одного ²²⁹
че ³⁺
ион может обеспечить общую дробную погрешность частоты 1,5 × 10 ⁻¹⁹ , что было лучше, чем существующая технология оптических атомных часов 2019 года. Хотя создание точных часов остается нереализованной теоретической возможностью, попытки в 2010-х годах измерить энергию перехода завершилось измерением оптической частоты в апреле 2024 года с достаточной точностью ( 2 020 409 ± 7 ГГц = 2,020 409 (7) × 10 ¹⁵ Гц ), что теперь можно построить экспериментальные оптические ядерные часы.

Хотя нейтрально ^{229 м}
че
атомы распадаются за микросекунды в результате внутреннего преобразования , этот путь энергетически запрещен в ^{229 м}
че ⁺
ионов, так как вторая и более высокая энергия ионизации больше энергии ядерного возбуждения, что дает ^{229 м}
че ⁺
ионы имеют длительный период полураспада порядка 10 ³ с . Именно большое соотношение между частотой перехода и временем жизни изомера придает часам высокую добротность .

Переход к ядерной энергетике предлагает следующие потенциальные преимущества:

1. Более высокая частота. При прочих равных условиях переход на более высокую частоту обеспечивает большую стабильность по простым статистическим причинам (колебания усредняются по большему количеству циклов).
2. Нечувствительность к воздействию окружающей среды. Из-за своего небольшого размера и экранирующего эффекта окружающих электронов атомное ядро ​​гораздо менее чувствительно к окружающим электромагнитным полям, чем электрон на орбитали.
3. Большее количество атомов. Из-за вышеупомянутой нечувствительности к окружающим полям нет необходимости хорошо разделять часовые атомы в разбавленном газе. Фактически, можно было бы воспользоваться эффектом Мессбауэра и поместить атомы в твердое тело, что позволило бы исследовать миллиарды атомов.

Методы сравнения часов

В июне 2015 г. Национальная физическая лаборатория (НПЛ) в Теддингтоне, Великобритания; Французский отдел пространственно-временных систем отсчета Парижской обсерватории (LNE-SYRTE); Немецко- Немецкий национальный метрологический институт (PTB) в Брауншвейге ; и итальянский Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) в туринских лабораториях начали испытания, направленные на повышение точности современных сравнений спутников в 10 раз, но она по-прежнему будет ограничена одной частью из 1 . Эти четыре европейские лаборатории разрабатывают и размещают множество экспериментальных оптических часов, которые используют разные элементы в разных экспериментальных установках и хотят сравнить свои оптические часы друг с другом и проверить, совпадают ли они.

На следующем этапе эти лаборатории будут стремиться передавать сравнительные сигналы в видимом спектре по оптоволоконным кабелям. Это позволит сравнивать их экспериментальные оптические часы с точностью, аналогичной ожидаемой точности самих оптических часов. Некоторые из этих лабораторий уже установили оптоволоконные линии связи, и начались испытания на участках между Парижем и Теддингтоном, а также Парижем и Брауншвейгом. Волоконно-оптические линии связи между экспериментальными оптическими часами также существуют между американской лабораторией NIST и ее партнерской лабораторией JILA , обе в Боулдере, штат Колорадо, но они охватывают гораздо более короткие расстояния, чем европейская сеть, и находятся всего между двумя лабораториями. По словам Фрица Риле, физика из PTB, «Европа находится в уникальном положении, поскольку здесь сосредоточено большое количество лучших часов в мире».

В августе 2016 года французский LNE-SYRTE в Париже и немецкий PTB в Брауншвейге сообщили о сравнении и согласовании двух полностью независимых экспериментальных оптических часов на решетке стронция в Париже и Брауншвейге с погрешностью 5 × 10. ⁻¹⁷ через недавно установленную фазово-когерентную частотную линию, соединяющую Париж и Брауншвейг, с использованием 1415 км (879 миль ) телекоммуникационного оптоволоконного кабеля. Дробная неопределенность всей линии оценивалась как 2,5 × 10 ⁻¹⁹ , что делает возможным сравнение еще более точных часов.

В 2021 году NIST сравнил передачу сигналов от серии экспериментальных атомных часов, расположенных на расстоянии около 1,5 км (1 мили ) друг от друга в лаборатории NIST, ее партнерской лаборатории JILA и Университете Колорадо в Боулдере, штат Колорадо, по воздуху и оптоволоконному кабелю. с точностью 8 × 10 ⁻¹⁸ .

Оптические часы

Май 2009 г. – Стронциевые оптические атомные часы JILA основаны на нейтральных атомах. Облучение синим лазером ультрахолодных атомов стронция в оптической ловушке позволяет проверить, насколько эффективно предыдущая вспышка света красного лазера перевела атомы в возбужденное состояние. Только те атомы, которые остаются в состоянии с более низкой энергией, реагируют на синий лазер, вызывая видимую здесь флуоресценцию.

Идею захвата атомов в оптическую решетку с помощью лазеров предложил российский физик Владилен Летохов в 1960-х годах. Теоретический переход от микроволн как атомного «спуска» для часов к свету в оптическом диапазоне, который сложнее измерить, но который обеспечивает более высокие характеристики, принес Джону Л. Холлу и Теодору В. Хэншу Нобелевскую премию по физике в 2005 году. Одна из работ по физике 2012 года Нобелевский лауреат Дэвид Дж. Вайнленд — пионер в использовании свойств одиночного иона, удерживаемого в ловушке, для разработки часов высочайшей стабильности. Разработка первых оптических часов была начата в НИСТ в 2000 году и завершена в 2006 году. Видеть на обзор до 2020 года.

Развитие гребен фемтосекундных частот , оптических решеток привело к появлению нового поколения атомных часов. Эти часы основаны на атомных переходах, которые излучают видимый свет вместо микроволн . Основным препятствием для разработки оптических часов является сложность прямого измерения оптических частот. Эта проблема была решена с разработкой самостоятельных лазеров с синхронизацией мод, обычно называемых фемтосекундными частотными гребенками. До демонстрации гребенки частот в 2000 году были необходимы терагерцовые методы, чтобы преодолеть разрыв между радио- и оптическими частотами, а системы для этого были громоздкими и сложными. С усовершенствованием гребенки частот эти измерения стали гораздо более доступными, и в настоящее время по всему миру разрабатываются многочисленные системы оптических часов.

Как и в радиодиапазоне, абсорбционная спектроскопия используется для стабилизации генератора, в данном случае лазера. Когда оптическая частота делится на счетную радиочастоту с помощью фемтосекундной гребенки , полоса пропускания фазового шума также делится на этот коэффициент. Хотя полоса фазового шума лазера обычно больше, чем у стабильных микроволновых источников, после разделения она становится меньше.

Основными системами, рассматриваемыми для использования в оптических стандартах частоты, являются:

• одиночные ионы, изолированные в ионной ловушке;
• нейтральные атомы, захваченные в оптическую решетку и
• атомы упакованы в трехмерную оптическую решетку квантового газа.

Эти методы позволяют атомам или ионам быть полностью изолированными от внешних возмущений, обеспечивая тем самым чрезвычайно стабильную опорную частоту. Лазеры и магнитооптические ловушки используются для охлаждения атомов для повышения точности.

Рассматриваемые атомные системы включают Al ⁺ , ртуть ^+/2+ , Hg , старший , старший ^+/2+ , В ^+/3+ , Мг , Са , Са ⁺ , Юб ^+/2+/3+ , Yb и Th ^+/3+ . часов Цвет электромагнитного излучения зависит от стимулируемого элемента. Например, кальциевые оптические часы резонируют при излучении красного света, а иттербиевые часы резонируют при наличии фиолетового света.

Одна из NIST в 2013 году. пары атомных часов с иттербиевой оптической решеткой, выпущенных

Редкоземельный элемент иттербий (Yb) ценится не столько за его механические свойства, сколько за набор внутренних энергетических уровней. «Особый переход в атомах Yb на длине волны 578 нм в настоящее время обеспечивает один из самых точных в мире оптических атомных стандартов частоты», — сказала Марианна Сафронова. достигнутая неопределенность соответствует примерно одной секунде за время существования Вселенной, то есть 15 миллиардов лет. По оценкам ученых из Объединенного квантового института (JQI) и Университета Делавэра в декабре 2012 года,

В 2013 году было показано, что часы на оптической решетке (OLC) не уступают часам с цезиевым фонтаном или даже лучше. Двое оптических решетчатых часов, содержащих около 10 000 атомов стронция -87, смогли синхронизироваться друг с другом с точностью не менее 1,5 × 10. ⁻¹⁶ , что является настолько точным, насколько мог измерить эксперимент. Было показано, что эти часы идут в ногу со всеми тремя часами с цезиевым фонтаном в Парижской обсерватории . Есть две причины возможной большей точности. Во-первых, частота измеряется с помощью света, частота которого намного выше, чем у микроволн, а во-вторых, за счет использования множества атомов любые ошибки усредняются.

Использование атомов иттербия-171 — новый рекорд стабильности с точностью 1,6 × 10. ⁻¹⁸ за 7-часовой период была опубликована 22 августа 2013 года. При такой стабильности два часа на оптической решетке, работающие независимо друг от друга, используемые исследовательской группой NIST, будут отличаться менее чем на секунду в зависимости от возраста Вселенной ( 13,8 × 10 ⁹ годы ); это было в 10 раз лучше, чем предыдущие эксперименты. Часы основаны на 10 000 атомах иттербия, охлажденных до температуры 10 микрокельвинов и заключенных в оптическую решетку. Лазер с длиной волны 578 нм возбуждает атомы между двумя их энергетическими уровнями. Установив стабильность часов, исследователи изучают внешние воздействия и оценивают оставшиеся систематические неопределенности в надежде, что им удастся снизить точность часов до уровня их стабильности. Улучшенные часы на оптической решетке были описаны в статье Nature от 2014 года.

В 2015 году JILA оценила абсолютную неопределенность частоты часов с оптической решеткой стронция-87 на уровне 2,1 × 10. ⁻¹⁸ , что соответствует измеримому гравитационному замедлению времени при изменении высоты на 2 см (0,79 дюйма) на планете Земля, что, по мнению научного сотрудника JILA/NIST Джун Е , «действительно близко к тому, чтобы быть полезным для релятивистской геодезии ». Ожидается, что при такой неопределенности частоты часы на оптической решетке JILA не прибавят и не потеряют ни секунды за более чем 15 миллиардов лет.

Трехмерные квантовые газовые атомные часы JILA 2017 года состоят из световой сетки, образованной тремя парами лазерных лучей. Стопка из двух столов используется для размещения оптических компонентов вокруг вакуумной камеры. Здесь показан верхний столик, на котором крепятся объективы и другая оптика. Синий лазерный луч возбуждает кубическое облако атомов стронция, расположенное за круглым окном в центре стола. Атомы стронция сильно флуоресцируют при возбуждении синим светом.

В 2017 году JILA сообщила об экспериментальных 3D-часах с оптической решеткой из квантового газа стронция, в которых атомы стронция-87 упакованы в крошечный трехмерный (3-D) куб с плотностью, в 1000 раз превышающей плотность предыдущих одномерных (1-D) часов. например, часы JILA 2015 года. Сравнение двух областей одной и той же трехмерной решетки дало остаточную точность 5 × 10. ⁻¹⁹ за 1 час времени усреднения. Это значение точности не отражает абсолютную точность или прецизионность часов, которые остаются выше 1 × 10. ⁻¹⁸ и 1 × 10 ⁻¹⁷ соответственно. Центральным элементом трехмерных квантовых часов с оптической решеткой стронция является необычное состояние вещества, называемое вырожденным ферми-газом (квантовый газ для ферми-частиц). Экспериментальные данные показывают, что 3D квантовые газовые часы достигли остаточной точности 3,5 × 10. ⁻¹⁹ примерно через два часа. По словам Цзюнь Е, «это представляет собой значительное улучшение по сравнению с любыми предыдущими демонстрациями». Далее Йе прокомментировал: «Наиболее важным потенциалом трехмерных квантовых газовых часов является способность увеличивать число атомов, что приведет к огромному увеличению стабильности» и «возможность увеличивать как число атомов, так и время когерентности позволит это часы нового поколения, качественно отличающиеся от предыдущего поколения».

В 2018 году JILA сообщила, что точность остаточной частоты трехмерных квантовых газовых часов достигла 2,5 × 10. ⁻¹⁹ более 6 часов. Недавно было доказано, что квантовая запутанность может способствовать дальнейшему повышению стабильности часов. В 2020 году оптические часы были исследованы для космических применений, таких как будущие поколения глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), в качестве замены микроволновых часов. Часы Е из стронция-87 не превзошли часы из алюминия-27 или иттербий-171 оптические часы с точки зрения точности частоты.

В феврале 2022 года ученые из Университета Висконсин-Мэдисон сообщили о «мультиплексированных» оптических атомных часах, в которых отдельные часы отклоняются друг от друга с точностью, эквивалентной потере секунды за 300 миллиардов лет. Сообщаемое незначительное отклонение объяснимо, поскольку рассматриваемые тактовые генераторы находятся в несколько разных условиях. Они вызывают разные реакции на гравитацию, магнитные поля и другие условия. Этот подход к миниатюрной сети часов является новым, поскольку он использует оптическую решетку атомов стронция и конфигурацию из шести часов, которые можно использовать для демонстрации относительной стабильности, дробной неопределенности между часами и методов сверхточного сравнения между ансамблями оптических атомных часов. которые расположены близко друг к другу в метрологическом центре.

Оптические часы в настоящее время (2022 г.) по-прежнему представляют собой преимущественно исследовательские проекты, менее зрелые, чем микроволновые стандарты рубидия и цезия, которые регулярно доставляют время в Международное бюро мер и весов (BIPM) для установления Международного атомного времени (TAI) . Поскольку оптические экспериментальные часы превосходят свои микроволновые аналоги с точки зрения точности и стабильности, это дает им возможность заменить нынешний стандарт времени — часы с цезиевым фонтаном. В будущем это может привести к переопределению секунды СИ на основе цезия, основанной на микроволновом излучении, и потребуются другие новые методы распространения с высочайшим уровнем точности для передачи тактовых сигналов, которые можно будет использовать как на более коротком, так и на большом расстоянии (частота). сравнение лучших часов и изучение их фундаментальных ограничений без существенного ущерба для их производительности. В декабре 2021 года BIPM сообщил, что на основании прогресса в области оптических стандартов, способствующих TAI, Консультативный комитет по времени и частоте (CCTF) инициировал работу по переопределению секунды, ожидаемой в 2030-х годах.

В июле 2022 года атомно-оптические часы на основе молекул йода были продемонстрированы в море на военном корабле и непрерывно работали в Тихом океане в течение 20 дней в рамках учений RIMPAC 2022. Эти технологии, первоначально финансируемые Министерством обороны США, привели к созданию первых в мире коммерческих стоечных оптических часов в ноябре 2023 года.

Атомные часы в масштабе чипа

Самые точные цезиевые часы, основанные на цезиевой частоте 9,19 ГГц, имеют точность от 10 ⁻¹⁵ –10 ⁻¹⁶ . К сожалению, они большие и доступны только в крупных метрологических лабораториях и бесполезны для заводов или промышленных предприятий, которые используют атомные часы для точности GPS, но не могут позволить себе построить целую метрологическую лабораторию для одних атомных часов. Исследователи разработали стронциевые оптические часы, которые можно передвигать в автомобильном прицепе с кондиционером.

Переосмысление второго

В 2022 году лучшая реализация второго достигается с помощью часов на основе первичного эталона цезия, таких как IT-CsF2, NIST-F2, NPL-CsF2, PTB-CSF2, SU–CsFO2 или SYRTE-FO2. Эти часы работают за счет лазерного охлаждения облака атомов цезия до микрокельвина в магнитооптической ловушке. Эти холодные атомы затем запускаются вертикально лазерным светом. Затем атомы подвергаются Рамсеевскому возбуждению в микроволновом резонаторе. Затем часть возбужденных атомов детектируется лазерными лучами. Эти часы имеют 5 × 10 ⁻¹⁶ систематическая неопределенность, которая эквивалентна 50 пикосекундам в день. Система нескольких фонтанов по всему миру способствует Международному атомному времени. Эти цезиевые часы также лежат в основе измерений оптических частот.

Преимущество оптических часов можно объяснить тем, что нестабильность $\sigma \propto {\frac {\Delta f}{f}}{\frac {1}{S/N}}$ , где $\sigma$ — нестабильность, f — частота, а S / N — отношение сигнал/шум. Это приводит к уравнению $\sigma (\tau )={\frac {1}{2\pi f{\sqrt {NT_{int}\tau }}}}$.

Оптические часы основаны на запрещенных оптических переходах в ионах или атомах. У них частоты около 10 ¹⁵ Гц , с естественной шириной линии $\Delta f$ обычно 1 Гц, поэтому добротность составляет около 10 ¹⁵ , или даже выше. Они имеют лучшую стабильность, чем микроволновые часы, а это означает, что они могут облегчить оценку меньших неопределенностей. У них также лучшее разрешение времени, а это значит, что часы «тикают» быстрее. Оптические часы используют либо один ион, либо оптическую решетку с 10 ⁴ – 10 ⁶ атомы.

постоянная Ридберга

Определение, основанное на константе Ридберга, предполагает привязку значения к определенному значению: $R_{\infty }={\frac {m_{e}e^{4}}{8\varepsilon _{0}^{2}h^{3}c}}={\frac {m_{e}c\alpha ^{2}}{2h}}$. Константа Ридберга описывает уровни энергии в атоме водорода в нерелятивистском приближении. $E_{n}\approx -{\frac {R_{\infty }ch}{n^{2}}}$.

Единственный реальный способ исправить константу Ридберга — это улавливать и охлаждать водород. К сожалению, это сложно, поскольку он очень легкий, а атомы движутся очень быстро, вызывая доплеровские сдвиги. Излучение, необходимое для охлаждения водорода, — 121,5 нм — также сложно. Еще одним препятствием является повышение неопределенности в расчетах квантовой электродинамики /КЭД.

В отчете 25-го заседания Консультативного комитета по единицам (2021 г.) Было рассмотрено 3 варианта переопределения второго где-то около 2026, 2030 или 2034 года. Первый рассмотренный подход к переопределению представлял собой определение, основанное на одном атомном эталонном переходе. Второй рассмотренный подход к переопределению представлял собой определение, основанное на наборе частот. Третий рассмотренный подход к переопределению представлял собой определение, основанное на фиксации числового значения фундаментальной константы, например, использование константы Ридберга в качестве основы для определения. Комитет пришел к выводу, что не существует реального способа переопределить второй вариант с помощью третьего, поскольку в настоящее время не известна физическая константа с достаточным количеством цифр, чтобы можно было реализовать второй вариант с константой.

Требования

Новое определение должно включать повышение надежности оптических часов. TAI должен быть дополнен оптическими часами, прежде чем BIPM подтвердит новое определение. последовательный метод отправки сигналов, например оптоволоконный . Прежде чем будет пересмотрено определение второго метода, необходимо разработать

Приложения

Развитие атомных часов привело ко многим научным и технологическим достижениям, таким как точные глобальные и региональные навигационные спутниковые системы и приложения в Интернете , которые критически зависят от стандартов частоты и времени. Атомные часы установлены на местах сигналов времени . радиопередатчиков Они используются на некоторых длинноволновых и средневолновых радиовещательных станциях для передачи очень точной несущей частоты. Атомные часы используются во многих научных дисциплинах, например, для интерферометрии с длинной базой в радиоастрономии .

Глобальные навигационные спутниковые системы

Глобальная система позиционирования (GPS), эксплуатируемая Космическими силами США, обеспечивает очень точные сигналы синхронизации и частоты. Приемник GPS работает путем измерения относительной временной задержки сигналов минимум от четырех, а обычно и от более спутников GPS, каждый из которых имеет как минимум два встроенных цезиевых и до двух рубидиевых атомных часов. Относительное время математически преобразуется в три абсолютные пространственные координаты и одну абсолютную временную координату. Время GPS (GPST) представляет собой непрерывную шкалу времени, теоретическая точность которой составляет около 14 наносекунд . Однако большинство приемников теряют точность интерпретации сигналов и имеют точность лишь до 100 наносекунд.

GPST связан с TAI (международным атомным временем) и UTC (всемирным координированным временем), но отличается от них. GPST остается с постоянным смещением от TAI (TAI – GPST = 19 секунд) и, как и TAI, не реализует дополнительные секунды . В бортовые часы спутников вносятся периодические поправки, чтобы обеспечить их синхронизацию с наземными часами. Сообщение GPS-навигации включает разницу между GPST и UTC. По состоянию на июль 2015 года GPST на 17 секунд опережает UTC из-за дополнительной секунды, добавленной к UTC 30 июня 2015 года. Приемники вычитают это смещение из времени GPS для расчета UTC.

Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС), эксплуатируемая Воздушно-космическими силами обороны России, представляет собой альтернативу системе глобального позиционирования (GPS) и является второй действующей навигационной системой с глобальным покрытием и сопоставимой точностью. Время ГЛОНАСС (ГЛОНАССТ) генерируется центральным синхронизатором ГЛОНАСС и обычно не превышает 1000 наносекунд. В отличие от GPS, шкала времени ГЛОНАСС использует дополнительные секунды, например UTC.

Космический пассивный водородный мазер, используемый на спутниках ЕКА Galileo в качестве главных часов для бортовой системы синхронизации.

Galileo Глобальная навигационная спутниковая система эксплуатируется Европейским агентством GNSS и Европейским космическим агентством . Galileo начала предлагать глобальные возможности раннего оперативного реагирования (EOC) 15 декабря 2016 года, предоставив третью и первую глобальную навигационную спутниковую систему, не эксплуатируемую военными. Системное время Галилео (GST) — это непрерывная шкала времени, которая генерируется на земле в Центре управления Галилео в Фучино, Италия, с помощью Центра точного времени на основе средних значений различных атомных часов и поддерживается центральным сегментом Галилео и синхронизируется с TAI с номинальным смещением менее 50 наносекунд. По данным Европейского агентства GNSS, Galileo обеспечивает точность синхронизации 30 наносекунд.

В квартальном отчете Европейского центра обслуживания GNSS за март 2018 года сообщается, что точность службы распространения времени UTC составила ≤ 7,6 наносекунд, рассчитанная путем накопления выборок за предыдущие 12 месяцев, и превысила целевой показатель ≤ 30 нс. Каждый спутник Галилео оснащен двумя пассивными водородными мазерами и двумя рубидиевыми атомными часами для измерения времени на борту.

Навигационное сообщение Galileo включает различия между GST, UTC и GPST для обеспечения совместимости. Летом 2021 года Европейский Союз остановился на пассивном водородном мазере для второго поколения спутников Галилео, начиная с 2023 года, с ожидаемым сроком службы каждого спутника 12 лет. Мазеры имеют длину около 2 футов и вес 40 фунтов.

Спутниковая навигационная система BeiDou -2/BeiDou-3 эксплуатируется Национальным космическим управлением Китая . Время Бэйдоу (BDT) представляет собой непрерывную шкалу времени, начинающуюся 1 января 2006 года в 0:00:00 UTC и синхронизированную с UTC в пределах 100 нс. BeiDou начал свою работу в Китае в декабре 2011 года, используя 10 спутников. и начала предлагать услуги клиентам в Азиатско-Тихоокеанском регионе в декабре 2012 года. 27 декабря 2018 года навигационная спутниковая система BeiDou начала предоставлять глобальные услуги с заявленной точностью синхронизации 20 нс. Последний, 35-й спутник глобального покрытия BeiDou-3 был выведен на орбиту 23 июня 2020 года.

Экспериментальные космические часы

В апреле 2015 года НАСА объявило, что планирует вывести в космическое пространство Атомные часы для глубокого космоса (DSAC), миниатюрные сверхточные атомные часы с ионами ртути. В НАСА заявили, что DSAC будут гораздо более стабильными, чем другие навигационные часы. Часы были успешно запущены 25 июня 2019 года. активировано 23 августа 2019 г. и деактивирован два года спустя, 18 сентября 2021 года.

Военное использование

В 2022 году DARPA объявило о стремлении перейти на военные системы хронометража США для большей точности с течением времени, когда датчики не имеют доступа к спутникам GPS, с планами достичь точности 1 часть из 10. ¹² . Надежная сеть оптических часов будет сочетать удобство использования и точность, поскольку она разрабатывалась в течение 4 лет.

Радиопередатчики сигналов времени

Основная статья: Радиочасы

Радиочасы — это часы , которые автоматически синхронизируются посредством радиосигналов времени, принимаемых радиоприемником . Некоторые производители могут маркировать радиочасы как атомные. потому что радиосигналы, которые они получают, исходят от атомных часов. Обычные недорогие приемники потребительского класса, использующие амплитудно-модулированные сигналы времени, имеют практическую погрешность точности ± 0,1 секунды. Этого достаточно для многих потребительских приложений. Приемники времени приборного класса обеспечивают более высокую точность. Радиочасы имеют задержку распространения примерно 1 мс на каждые 300 километров (186 миль) расстояния от радиопередатчика . Многие правительства используют передатчики для целей хронометража.

Общая теория относительности

Общая теория относительности предсказывает, что в глубине гравитационного поля часы идут медленнее, и этот эффект гравитационного красного смещения хорошо документирован. Атомные часы эффективны при проверке общей теории относительности во все меньших масштабах. Проект по наблюдению двенадцати атомных часов с 11 ноября 1999 года по октябрь 2014 года привел к дальнейшей демонстрации того, что общая теория относительности Эйнштейна точна в малых масштабах.

В 2021 году группа ученых из JILA измерила разницу во времени из-за гравитационного красного смещения между двумя слоями атомов, разделенными на один миллиметр, с помощью стронциевых оптических часов, охлажденных до 100 нанокельвинов, с точностью 7,6 × 10. ⁻²¹ секунды. влияют общая теория относительности и квантовая механика . Учитывая их квантовую природу и тот факт, что время является релятивистской величиной, атомные часы можно использовать, чтобы увидеть, как на время одновременно

Финансовые системы

Атомные часы ведут точные записи транзакций между покупателями и продавцами с точностью до миллисекунды или лучше, особенно в высокочастотной торговле . Точный учет времени необходим для заблаговременного предотвращения незаконной торговли, а также для обеспечения справедливости по отношению к торговцам на другом конце земного шара. Текущая система, известная как NTP, имеет точность лишь до миллисекунды.

См. также

• Стандарт цезия
• Дрейф часов
• Эффект Дика
• Список атомных часов
• Протокол сетевого времени
• Первичные атомные часы в космосе
• Пульсарные часы
• Говорящие часы
• Метрология времени
• Перенос времени
• Оптические часы