Василиса▶ Я жду вашего обращения. Что Вы хотите узнать?
Логотип
Атомные часы
FOCS 1, атомные часы в Швейцарии с погрешностью 10 −15 , то есть не более секунды за 30 миллионов лет

А́томные часы́ ( молекулярные , квантовые часы ) — прибор для измерения времени , в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул .

Атомные часы важны в навигации. Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолётов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи ( GPS , ГЛОНАСС , Galileo ) невозможны без атомных часов. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени , которые периодически транслируют временные сигналы по радио.

С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения , возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 . Согласно этому определению, атом цезия-133 является стандартом для измерений времени и частоты . Точность определения секунды определяет точность определения других основных единиц, таких как, например, вольт или метр , содержащих секунду в своём определении.

Стабильность атомных часов (где  — отклонение частоты часов за некоторый период времени) обычно лежит в пределах 10 −14 —10 −15 , а в специальных конструкциях достигает 10 −17 , и является наилучшей среди всех существующих типов часов.

Устройство часов

Схема атомных часов

Часы состоят из нескольких частей:

Кварцевый генератор представляет собой автогенератор, в качестве резонансного элемента которого используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла . Генерируемые им электромагнитные колебания имеют фиксированную частоту, равную, как правило, 10 МГц, 5 МГц или 2,5 МГц, с возможностью перестройки в небольших пределах (±10 −6 , например, изменением температуры кристалла). Обычно долговременная стабильность кварцевого резонатора мала и составляет около . С целью повышения его стабильности используют колебания атомов или молекул, для чего колебания кварцевого генератора с частотой постоянно сравниваются c помощью частотно-фазового компаратора с частотой атомной линии , регистрируемой в квантовом дискриминаторе . При появлении разницы в фазе и частоте колебаний схема обратной связи подстраивает частоту кварцевого генератора до требуемого значения, повышая тем самым стабильность и точность часов до уровня .

В СССР идеологом создания атомных часов был академик Николай Геннадиевич Басов .

Национальные центры стандартов частоты

Рост точности атомных часов за период 50 лет. NIST, США

Многие страны сформировали национальные центры стандартов времени и частоты :

Учёные разных стран работают над совершенствованием атомных часов и основанных на них государственных первичных эталонов времени и частоты, точность таких часов неуклонно повышается. В России обширные исследования, направленные на улучшение характеристик атомных часов, проводятся в Физическом институте им. Лебедева .

Типы атомных часов

Не всякий атом (молекула) подходит в качестве дискриминатора для атомных часов. Выбирают атомы, которые нечувствительны к различным внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. В каждом диапазоне электромагнитного спектра излучения имеются такие атомы. Это: атомы кальция , рубидия , цезия , стронция , молекулы водорода , йода , метана , оксид осмия(VIII) и т. д. В качестве основного (первичного) стандарта частоты выбран сверхтонкий переход атома цезия. Характеристики всех остальных (вторичных) стандартов сравниваются с этим стандартом. Для того, чтобы осуществить такое сравнение, в настоящее время используются так называемые оптические гребёнки ( англ. )  — излучение с широким частотным спектром в виде эквидистантных линий, расстояние между которыми привязывается к атомному стандарту частоты. Оптические гребёнки получают с помощью фемтосекундного лазера с синхронизацией мод и микроструктурированного оптоволокна , в котором происходит уширение спектра до одной октавы .

В 2006 году исследователи из американского Национального института стандартов и технологий под руководством Джима Бергквиста ( англ.   Jim Bergquist ) разработали часы, действующие на одном атоме ртути . При переходах между энергетическими уровнями иона ртути генерируются фотоны видимого диапазона со стабильностью в 5 раз выше, чем микроволновое излучение цезия-133. Новые часы могут также найти применение в исследованиях зависимости изменения фундаментальных физических постоянных от времени. По состоянию на апрель 2015 года самыми точными атомными часами являлись часы, созданные в Национальном институте стандартов и технологий США . Погрешность составила лишь одну секунду в 15 миллиардов лет. В качестве одного из возможных применений часов указывалась релятивистская геодезия, основная идея которой — использование сети часов в качестве гравитационных датчиков, что поможет провести невероятно детальное трёхмерное измерение формы Земли.

Миниатюрные цезиевые атомные часы (2011)

Ведутся активные разработки компактных атомных часов для использования в повседневной жизни (наручные часы, мобильные устройства) . В начале 2011 американская компания Symmetricom объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов размером с небольшую микросхему. Часы работают на основе эффекта когерентного пленения населённости . Их стабильность — 5 · 10 -11 за час, масса — 35 г, потребляемая мощность — 115 мВт .

Примечания

  1. Поставлен новый рекорд точности атомных часов . Membrana (5 февраля 2010). Дата обращения 4 марта 2011. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  2. Указанные частоты характерны именно для прецизионных кварцевых резонаторов, с самой высокой добротностью и стабильностью частоты, достижимой при использовании пьезоэффекта. Вообще же, кварцевые генераторы используются на частотах от единиц кГц до нескольких сотен МГц. ( Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. — М. : Радио и связь, 1984. — С. 121, 122. — 232 с. — 27 000 экз. )
  3. Н. Г. Басов , В. С. Летохов . Оптические стандарты частоты.  // УФН. — 1968. — Т. 96 , № 12 .
  4. National metrology laboratories   (англ.) . NIST, 3 февраля 2011 г.   (Проверено 14 июня 2011)
  5. Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Single-Atom Optical Clock with High Accuracy   (англ.)  // Phys. Rev. Lett. . — American Physical Society, 4 июля 2006. — Vol. 97, no. 2 . — ISSN 0031-9007 . — DOI : 10.1103/PhysRevLett.97.020801 .
  6. М. Паймакова. Новые атомные часы отстанут на секунду через 15 миллиардов лет   (рус.)  // Вести.Ru. — 22 апреля 2015.
  7. Атомные часы: скоро в мобильниках . CNews (3 сентября 2004). Дата обращения 13 декабря 2010. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  8. Нанотехнологии ::
  9. Игорь Лалаянц. Атомные наручники  // Знание - сила . — 2005. — № 9 . — ISSN 0130-1640 . Архивировано 24 июня 2008 года.
  10. Российские физики создали «сердце» миниатюрных атомных часов . Lenta.ru (18 марта 2010). Дата обращения 13 декабря 2010. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  11. CSAC — SA.45s — Chip Scale Atomic Clock — Symmetricom

Ссылки

© 2014-2019 ЯВИКС - все права защищены.
Наши контакты/Карта ссылок