Дальнейшая миниатюризация атомных часов

Дальнейшая миниатюризация атомных часов

Выпуск 10(6734) от 20 мая 2021 г.
РУБРИКА: КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Часы на атомах цезия для точнейшего определения времени используются с середины 1960-х гг. Ряд британских компаний и университетов недавно объединились, чтобы создать более доступные и практичные атомные часы за счет повышения точности и миниатюризации. Возглавляет работы фирма Kelvin Nanotechnology, в проекте также участвуют компания WideBlue, исследователи из университетов Бирмингема и Стратклайда. Еще одну работу в этой области представил Сассекский университет.

Международная система единиц СИ (с 1967 г.) определяет одну секунду как 9192631770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия‑133.

Стабильность атомных часов (отклонение частоты часов за некоторый период времени) обычно лежит в пределах 10—14—10—15, а в специальных конструкциях достигает 10–17, что делает их самыми точными среди всех существующих типов часов.

Чтобы достичь такого высокого разрешения по времени, атомные часы используют переход между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома стронция, обес-печивая на порядки лучшую производительность, чем их рубидиевые аналоги, из-за более узких атомных характеристик. Чем тоньше атомный переход, тем точнее атомные часы. С середины 1960-х гг. ученые и инженеры каждое десятилетие повышали точность атомных часов на порядок. Эта работа продолжается и сейчас. Так, физики Массачусетского технологического института недавно продемонстрировали атомные часы, которые измеряют не облако случайно колеблющихся атомов (как сейчас в лучших конструкциях), а квантово-спутанные атомы. Это открывает дверь в совершенно новый мир квантовой физики.

С той же целью – ​сделать атомные часы более доступными и практичными – ​объединились несколько британских фирм и университетов. Возглавляющая работу компания Kelvin Nanotechnology (Глазго, Шотландия), специализирующаяся на перспективной фотонике и квантовых компонентах, займется созданием магнитооптических ловушек на дифракционных решетках (grating magneto-optical traps, gMOT) и компактной коллимационной оптики, спроектированной фирмой WideBlue (Глазго). Университет Стратклайда разработает ИС на основе gMOT, а Бирмингемский университет будет отвечать за испытания прототипа оптической системы. Сотрудничество сосредоточено на масштабировании атомных часов путем уменьшения оптических ограничений в масштабируемых компонентах, изготовленных методами микрообработки. Это станет критически важным шагом на пути к внедрению лабораторных достижений в приложения реального мира.

Проект рассчитан на полтора года. Атомные часы уже обладают высокой точностью, поэтому исследователи сосредоточились на передовых технологиях микрообработки и совершенствовании оптики для снижения размера и веса портативных атомных часов следующего поколения. Соображения веса остаются в центре внимания при создании атомных часов, используемых в спутниковых навигационных системах. Атомы со сложной внутренней структурой, такие как стронций и иттербий, позволяют повысить чувствительность квантовых измерений времени и силы тяжести. Новый проект также предусматривает разработку новых инструментов лазерного охлаждения и манипулирования атомами стронция. Цель состоит в том, чтобы через пять лет базовое оборудование для сверххолодных атомов стронция стало готовым компонентом, который преобразит не только измерения времени, но и такие приложения, как квантовые вычисления.

Еще один исследовательский проект, направленный на создание портативных атомных часов, которые когда-нибудь можно будет интегрировать в мобильные телефоны, полностью автономные автомобили или дроны (при этом полностью устранив необходимость в спутниках), представили сотрудники Сассекского университета. По заявлениям ученых, они, используя технологию лазерного луча, сумели повысить эффективность важнейшего элемента атомных часов – ​ланцета (компонент, эквивалентный маятнику в механических часах и основанный на квантовом свойстве одиночного атома, заключенного в камеру, – ​электромагнитном поле светового луча, колеблющегося сотни триллионов раз в секунду). Портативные атомные часы позволят получить доступ к картографическим данным, когда пользователь проезжает через туннель или городскую местность, где уровень спутникового сигнала слабый. Часы будут полагаться на чрезвычайно точную форму географического картирования, благодаря которой доступ к местоположению и запланированному маршруту обеспечиваются без необходимости в спутниковом сигнале. Этот прорыв повышает эффективность ланцета на 80 %. Элементом счета часов, необходимым на таких скоростях, являются оптические частотные гребенки, узкоспециализированный лазер, одновременно излучающий множество цветов, равномерно разнесенных по частоте.

Исследователи Сассекского университета заявили о разработке высокоэффективной микрогребенки, в которой используется особый тип волны, называемый солитоном лазерного резонатора. Следующим шагом будет переход с полупроводниковой технологии на оптоволоконную. В конечном итоге устройство будет интегрировано с разрабатываемым в настоящее время «сверхкомпактным» атомным эталоном. Ученые надеются, работая с партнерами из британской аэрокосмической промышленности, создать практичные атомные часы в течение пяти лет. Затем они сосредоточатся на интеграции технологий в портативные атомные часы и в конечном итоге – ​в потребительские устройства, такие как мобильные телефоны.


Walko John. Atomic Clocks Get Smaller, Lighter, More Precise. EE Times, April 19, 2021: https://https://www.eetimes.com/atomic-clocks-get-smaller-lighter-more-precise/?utm_source=newsletter&am...‑20210421&oly_enc_id=8575F8113745F7R


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ