Атомний годинник пристрій для вимірювання. Розвиток та застосування нанотехнологій майбутнього: актуальні новітні нано технології в медицині та виробництві

Атомний годинникявляють собою прилад для дуже точного виміручасу. Назву вони отримали від принципу їх роботи, тому що як період використовуються власні коливаннямолекул чи атомів. Атомний годинник отримав дуже велике застосуванняу навігації, в космічної галузі, визначення місця розташування супутників, у військовій сфері, виявлення , літаків, соціальній та телекомунікаціях.

Сфер застосування, як видно дуже багато, але навіщо їм усім потрібна така точність, адже сьогодні похибка звичайного атомного годинника складає всього 1 секунду в 30 мільйонів років? Адже є ще точніше. Все зрозуміло, адже час використовується для розрахунку відстаней, а там невелика похибка може призвести до сотень метрів, а то й кілометрів, якщо брати космічні відстані. Наприклад, візьмемо американську системунавігації GPS, при використанні в приймачі звичайних електронного годинника, похибка вимірювання координат буде досить істотна, що може вплинути на всі інші розрахунки, а це може призвести до наслідків, якщо мова йдепро космічні технології. Природно для приймачів GPS мобільних пристрояхта інших гаджетах, велика точність зовсім не важлива.

Найточніший час у Москві та світі, можна дізнатися на офіційному сайті - "сервері точного поточного часу" www.timeserver.ru

З чого складається атомний годинник

Атомний годинник складається з кількох головних частин: кварцового генератора, квантового дискримінатора та блоків електроніки. Основним, що задає відлік, є кварцовий генератор, який будується на кристалах кварцу і видає, зазвичай, стандартну частоту 10, 5, 2.5 МГц. Оскільки стабільна робота кварцу без похибки досить мала, його потрібно постійно підлаштовувати.

Квантовий дискримінатор фіксує частоту атомної лінії, і вона частотно-фазовому компараторі порівнюється з частотою кварцового генератора. Компаратор має зворотний зв'язок з кварцовим генератором для його підстроювання у разі розбіжності частот.
Атомний годинник можна побудувати не на всіх атомах. Найбільш оптимальним є атом цезію. Він відноситься до первинного, за яким порівнюються всі інші відповідні матеріалинаприклад такі як: стронцій, рубідій, кальцій. Первинний стандарт є абсолютно придатним для вимірювання точного часу, тому він отримав назву первинний.

Найточніший атомний годинник у світі

На сьогоднішній день найточніший атомний годинникзнаходяться у Великій Британії (офіційно прийняті). Їхня похибка складає всього 1 секунда в 138 мільйонів років. Вони є еталоном для національних стандартів часу багатьох країн, у тому числі США, а також визначають міжнародний атомний час. Але в королівстві знаходиться не найточніший годинник на Землі.

найточніший атомний годинник фото

У США заявили, що розробили експериментальний тип точного годинникана атомах цезію, їх похибка склала 1 секунда майже 1,5 мільярда років. Наука в цій галузі не стоїть на місці та розвивається бурхливими темпами.

Минулого, 2012 року, виповнилося сорок п'ять років із того моменту, коли людство вирішило використовувати атомне хронометрування для максимально точного виміру часу. У 1967 році у Міжнародній категорії часу перестала визначатися астрономічними шкалами - на зміну їм прийшов цезієвий стандарт частоти. Саме він і отримав популярну нині назву - атомний годинник. Точний час, Яке вони дозволяють визначити, має мізерну похибку в одну секунду за три мільйони років, що дозволяє використовувати їх у ролі стандарту часу в будь-якому куточку світу.

Трохи історії

Сама ідея використати коливання атомів для надточного виміру часу вперше була висловлена ​​ще 1879 року британським фізиком Вільямом Томсоном. У ролі випромінювача атомів-резонаторів цей вчений пропонував застосувати водень. Перші спроби реалізувати ідею практично робилися лише 40-х гг. ХХ століття. А перший у світі працюючий атомний годинник з'явився в 1955 році у Великій Британії. Їхнім творцем став британський фізик-експериментатор доктор Луї Ессен. Працювали цей годинник на основі коливань атомів цезію-133 і завдяки ним вчені нарешті змогли вимірювати час із набагато більшою точністю, ніж було до цього. Перший прилад Ессена допускав похибку не більше секунди на кожні сто років, проте згодом багаторазово збільшилася і похибка за секунду може набігти лише за 2-3 сотні мільйонів років.

Атомний годинник: принцип роботи

Як же працює цей хитромудрий «пристрій»? Як генератор резонансної частотиатомний годинник застосовують молекул або атомів на квантовому рівні. встановлює зв'язок системи « атомне ядро- електрони» з кількома дискретними енергетичними рівнями. Якщо на таку систему буде впливати із строго заданою частотою, то відбудеться перехід даної системи з низького рівняна високі. Можливий також і зворотний процес: перехід атома з більш високого рівняна низький, що супроводжується випромінюванням енергії. Ці явища можна контролювати і фіксувати всі енергетичні стрибки, створивши щось на зразок коливального контуру(його ще називають атомним осцилятором). Його резонансна частота відповідатиме різниці енергій сусідніх рівнів переходу атомів, розділеній на константу Планка.

Такий коливальний контур має незаперечні переваги порівняно зі своїми механічними та астрономічними попередниками. Для одного такого атомного осцилятора резонансна частота атомів будь-якої речовини буде однакова, чого не можна сказати про маятники і п'єзокристали. До того ж атоми не змінюють з часом своїх властивостей і не зношуються. Тому атомний годинник є надзвичайно точним і практично вічним хронометром.

Точний час та сучасні технології

Телекомунікаційні мережі, супутниковий зв'язок, GPS, NTP-сервера, електронні транзакції на біржі, інтернет-аукціони, процедура купівлі квитків через інтернет – всі ці та багато інших явищ давно вже міцно увійшли до нашого життя. Адже якби людство не винайшло атомного годинника, всього б цього просто не було. Точний час, синхронізація з яким дозволяє мінімізувати будь-які помилки, затримки і запізнення, дає можливість людині максимально повно використовувати цей безцінний непоправний ресурс, якого ніколи не буває занадто багато.

Які "годинники" придумали та вдосконалювали цей надзвичайно точний механізм? Чи є йому заміна? Спробуємо розібратися.

У 2012 році атомне хронометрування святкуватиме своє сорокап'ятиріччя. У 1967 року категорія часу у Міжнародній системі одиниць стала визначатися не астрономічними шкалами, а цезієвим стандартом частоти. Саме його в народі і називають атомним годинником.

Який принцип роботи атомних осциляторів? Як джерело резонансної частоти ці "пристрою" використовують квантові енергетичні рівні атомів або молекул. Квантова механікапов'язує із системою "атомне ядро ​​- електрони" кілька дискретних енергетичних рівнів. Електромагнітне поле певної частоти може спровокувати перехід цієї системи з низького рівня більш високий. Можливе і протилежне явище: атом може перейти з високого енергетичного рівня на нижчий із випромінюванням енергії. І тим і іншим явищем можна керувати та фіксувати ці енергетичні міжрівневі стрибки, створивши тим самим подібність коливального контуру. Резонансна частота цього контуру дорівнюватиме різниці енергій двох рівнів переходу, поділеної на постійну Планка .

Отриманий при цьому атомний осцилятор має безперечні переваги по відношенню до своїх астрономічних і механічних попередників. Резонансна частота всіх атомів обраної для осцилятора речовини буде, на відміну маятників і п'єзокристалів, однакова. Крім того, атоми з часом не зношуються та не змінюють свої властивості. Ідеальний варіантдля практично вічного та надзвичайно точного хронометра.

Вперше можливість використання міжрівневих енергетичних переходів в атомах як стандарт частоти в далекому 1879 розглянув британський фізик Вільям Томсон, більш відомий як лорд Келвін. Як джерело атомів-резонаторів він пропонував використовувати водень. Однак його дослідження мали швидше теоретичний характер. Наука на той час ще була готова до розробки атомного хронометра.

Потрібно було майже сто років, щоб ідея лорда Келвіна набула практичного втілення. Термін чималий, але й завдання було нелегким. Перетворити атоми на ідеальні маятники на практиці виявилося важче, ніж у теорії. Складність полягала у битві з так званою резонансною шириною – невеликим коливанням частоти поглинання та випромінювання енергії при переході атомів з рівня на рівень. Відношення резонансної частоти до резонансної ширини визначає якість атомного осцилятора. Очевидно, що чим більше значеннярезонансної ширини, тим нижча якість атомного маятника. На жаль, підвищити резонансну частоту для покращення якості неможливо. Вона стала для атомів кожної конкретної речовини. А ось зменшити резонансну ширину можна шляхом збільшення часу нагляду за атомами.

Технічно цього можна досягти так: нехай зовнішній, наприклад кварцовий, осцилятор періодично генерує електромагнітне випромінювання, що змушує атоми речовини-донора стрибати за енергетичними рівнями При цьому завданням налаштування атомного хронографа є максимальне наближення частоти кварцового осцилятора до резонансної частоти міжрівневого переходу атомів. Можливим це стає у разі досить великого періоду спостереження за коливаннями атомів та створення зворотнього зв'язку, що регулює частоту кварцу.

Щоправда, крім проблеми зниження резонансної ширини в атомному хронографі, існує безліч інших проблем. Це і доплеровський ефект - усунення резонансної частоти внаслідок руху атомів, і взаємні зіткнення атомів, що викликають незаплановані енергетичні переходи, і навіть вплив всепроникної енергії темної матерії.

Вперше спробу практичної реалізації атомного годинника було здійснено в тридцяті роки минулого століття вченими Колумбійського університету під керівництвом майбутнього нобелівського лауреатадоктора Айсідора Рабі. Як речовина - джерело атомів-маятників Рабі запропонував використовувати ізотоп цезію 133 Cs. На жаль, роботи Рабі, які дуже зацікавили NBS, були перервані Другою світовою війною.

Після її закінчення першість реалізації атомного хронографа перейшла до співробітника NBS Гарольда Лайонса. Його атомний осцилятор працював на аміаку і давав похибку, порівнянну з найкращими зразкамикварцових резонаторів У 1949 році аміачний атомний годинник був продемонстрований широкому загалу. Незважаючи на досить посередню точність, у них було реалізовано основні засади майбутніх поколінь атомних хронографів.

Отриманий Луї Ессен прототип цезієвих атомних годин забезпечував точність 1 * 10 -9 , володіючи при цьому шириною резонансу всього в 340 Герц

Трохи пізніше професор Гарвардського університетуНорман Ремсі удосконалив ідеї Айсідора Рабі, знизивши вплив на точність вимірювань доплерівського ефекту. Він запропонував замість одного тривалого високочастотного імпульсу, що збуджує атоми, використовувати два короткі, послані в плечі хвилеводу на деякій відстані один від одного. Це дозволило різко знизити резонансну ширину та фактично зробило можливим створенняатомних осциляторів, що на порядок перевершують за точністю своїх кварцових предків.

У п'ятдесяті роки минулого століття на основі схеми, запропонованої Норманом Ремсі, у Національній фізичній лабораторії (Великобританія) її співробітник Луї Ессен вів роботу над атомним осцилятором на основі запропонованого Рабі ізотопу цезію 133 Cs. Цезій був обраний невипадково.

Схема надтонких рівнів переходу атомів ізотопу цезію-133

Відносячись до групи лужних металіватоми цезію надзвичайно просто збуджуються для стрибка між енергетичними рівнями. Приміром, пучок світла легко здатний вибити з атомної структури цезію потік електронів. Саме завдяки цій властивості цезій широко застосовується у складі фотодетекторів.

Пристрій класичного цезієвого осцилятора на основі хвилеводу Ремсі

Перший офіційний цезієвий стандарт частоти NBS-1

Нащадок NBS-1 - осцилятор NIST-7 використовував лазерне накачування променя атомів цезію

Щоб прототип Ессена став справжнім стандартом, потрібно більше чотирьох років. Адже точне налаштування атомного годинника було можливе лише шляхом порівняння з існуючими ефемеридними одиницями часу. Протягом чотирьох років атомний осцилятор калібрувався за допомогою спостережень за обертанням Місяця навколо Землі за допомогою найточнішої місячної камери, винайденої співробітником Військово-морської обсерваторії США Вільямом Марковіцем.

"Підгонка" атомного годинника за місячними ефемеридами велася з 1955 по 1958 рік, після чого пристрій було офіційно визнано NBS як стандарт частоти. Більш того, безпрецедентна точність цезієвого атомного годинника спонукала NBS змінити в стандарті SI одиницю вимірювання часу. З 1958 року в якості секунди офіційно була прийнята "тривалість 9192631770 періодів випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями стандартного стануатома ізотопу цезію-133".

Пристрій Луї Ессена отримав назву NBS-1 і став вважатися першим цезієвим стандартом частоти.

За наступні тридцять років були розроблені шість модифікацій NBS-1, остання з яких - NIST-7, створена в 1993 завдяки заміні магнітів на лазерні пастки, забезпечує точність 5 * 10 -15 при резонансній ширині всього шістдесят два Герца.

Порівняльна таблиця характеристик цезієвих стандартів частоти, що використовуються NBS

Пристрої NBS є стаціонарними стендами, що дозволяє віднести їх швидше до еталонів, ніж до осциляторів, що практично використовуються. А ось для суто практичних цілей на благо цезієвого стандарту частоти попрацювала компанія Hewlett-Packard. У 1964 році майбутній комп'ютерний гігант створив компактний варіант стандарту цезієвого частоти - пристрій HP 5060A.

Відкалібровані з використанням еталонів NBS частотні стандарти HP 5060 вміщалися в типову стійку радіообладнання і мали комерційний успіх. Саме завдяки цезієвому стандарту частоти, заданому в Hewlett-Packard, безпрецедентна точність атомного годинника пішла в широкі маси.

Hewlett-Packard 5060A.

В результаті стали можливі такі речі, як супутникове телебаченняі зв'язок, глобальні системинавігації та служби синхронізації часу інформаційних мереж. Застосування доведеної до промислового зразка технології атомного хронографа знайшлося багато. При цьому Hewlett-Packard не зупинялися на досягнутому і постійно покращують якість цезієвих стандартів та їх масо-габаритні показники.

Сімейство атомних годинників компанії Hewlett-Packard

У 2005 році підрозділ Hewlett-Packard, що відповідає за розробку атомного годинника, було продано компанії Simmetricom.

Поряд з цезієм, запаси якого в природі дуже обмежені, а попит на нього в різних технологічних галузяхнадзвичайно великий, як речовина-донор використовувався рубідій, за властивостями дуже близький до цезію.

Здавалося б, існуюча схемаатомного годинника доведено до досконалості. Тим часом вона мала прикрий недолік, усунення якого стало можливим у другому поколінні стандартів цезієвих частоти, іменованих цезієвими фонтанами.

Фонтани часу та оптична патока

Незважаючи на високу точність атомного хронометра NIST-7, що використовує лазерне детектування стану атомів цезію, його схема не відрізняється від схем перших варіантів цезієвих стандартів частоти.

А конструктивним недоліком всіх цих схем і те, що контролювати швидкість поширення променя з атомів цезію, які у хвилеводі, принципово неможливо. І це при тому, що швидкість руху атомів цезію при кімнатній температурі- Сто метрів за секунду. Дуже швидко.

Саме тому всі модифікації цезієвих стандартів – це пошук балансу між розмірами хвилеводу, що встигає впливати на швидкі атоми цезію у двох точках, та точністю детектування результатів цього впливу. Чим менший хвилевод, тим важче встигнути зробити послідовні електромагнітні імпульси, що впливають на ті самі атоми.

А якщо знайти спосіб знизити швидкість руху атомів цезію? Саме цією думкою перейнявся студент Масачусетського технологічного інституту Джеролд Захаріус, який вивчав наприкінці сорокових років минулого століття вплив сили тяжіння на поведінку атомів. Пізніше, залучений до розробки варіанта цезієвого стандарту частоти Atomichron, Захаріус запропонував ідею цезієвого фонтану - способу, що дозволяє знизити швидкість руху атомів цезію до одного сантиметра в секунду і позбутися двоколінного хвилеводу традиційних атомних осциляторів.

Ідея Захаріуса була простою. Що, якщо запускати атоми цезію всередині осцилятора вертикально? Тоді одні й самі атоми двічі проходитимуть через детектор: вперше під час подорожі вгору, а другий - вниз, куди вони спрямуються під впливом сили тяжіння. При цьому рух атомів вниз буде суттєво повільнішим за їх зліт, адже за час подорожі у фонтані вони підбадьорюють енергію. На жаль, у п'ятдесяті роки минулого сторіччя реалізувати свої ідеї Захаріус не зміг. В його експериментальних установкахатоми, що рухалися вгору, взаємодіяли з падаючими вниз, що збивало точність детектування.

До ідеї Захаріуса повернулися лише у вісімдесяті роки. Вчені Стенфордського університету під керівництвом Стівена Чу знайшли спосіб реалізації фонтану Захаріуса з використанням методу, названого ними "оптична патока".

У цезієвому фонтані Чу хмара атомів цезію, що вистрілюються вгору, попередньо охолоджується системою трьох парпротилежно спрямованих лазерів, що мають резонансну частоту трохи нижче за оптичний резонанс атомів цезію.

Схема цезієвого фонтану із оптичною патокою.

Охолоджені лазерами атоми цезію починають рухатися повільно, немов крізь патоку. Їхня швидкість падає до трьох метрів за секунду. Зменшення швидкості атомів дає дослідникам можливість більш точного детектування стану (погодьтеся, значно простіше розглянути номери машини, що рухається зі швидкістю один кілометр на годину, ніж машини, що рухається зі швидкістю сто кілометрів на годину).

Куля з охолоджених атомів цезію запускається приблизно на метр, шляхом проходячи хвилевід, через який на атоми впливає електромагнітне поле резонансної частоти. І детектор системи фіксує зміну стану атомів уперше. Досягши "стелі", охолоджені атоми починають падати завдяки силі тяжкості і проходять хвилевод вдруге. на зворотним шляхомдетектор знову фіксує їхній стан. Оскільки атоми рухаються надзвичайно повільно, їх політ у вигляді досить щільної хмари легко контролювати, а значить, у фонтані не буде одночасно летять вгору і вниз атомів.

Установка Чу на основі цезієвого фонтану була прийнята NBS як стандарт частоти в 1998 році і отримала назву NIST-F1. Її похибка становила 4*10 -16 , отже, NIST-F1 була точніше попередника NIST-7.

Фактично NIST-F1 була досягнута межа точності вимірювань стану атомів цезію. Але вчені на цій перемозі не зупинились. Вони вирішили усунути похибку, яку вносить у роботу атомного годинника випромінювання абсолютно чорного тіла - результат взаємодії атомів цезію з тепловим випромінюванням корпусу установки, в якій вони рухаються. У новому атомному хронографі NIST-F2 цезієвий фонтан розміщувався в кріогенній камері, зводячи випромінювання абсолютно чорного тіла практично до нуля. Похибка NIST-F2 дорівнює неймовірній величині 3 * 10-17.

Графік зменшення похибки варіантів цезієвих стандартів частоти

В даний час атомні частини на основі цезієвих фонтанів дають людству найточніший еталон часу, щодо якого б'ється пульс нашої техногенної цивілізації. Завдяки інженерним хитрощам імпульсні водневі мазери, які охолоджують атоми цезію в стаціонарних варіантах NIST-F1 та NIST-F2, були замінені на звичайний лазерний проміньпрацює в парі з магнітооптичною системою. Це дозволило створити компактні та дуже стійкі до зовнішнім впливамваріанти стандартів NIST-Fx, здатні працювати в космічних апаратах. Ці стандарти частоти встановлені в супутниках таких навігаційних систем, як GPS, що і забезпечує їх приголомшливу синхронізацію для вирішення завдання дуже точного обчислення координат приймачів GPS, що використовуються в наших гаджетах.

Компактний варіант атомного годинника на основі цезієвого фонтану, званий "Aerospace Cold Atom Clock", використовується в супутниках системи GPS

Обчислення еталонного часу виконується "ансамблем" з десяти NIST-F2, розташованих у різних дослідних центрах, що співпрацюють з NBS. Точне значенняатомної секунди виходить колегіально, і тим самим усуваються різні похибки та вплив людського фактора.

Однак не виключено, що одного разу цезієвий стандарт частоти сприйматиметься нашими нащадками як дуже грубий механізм вимірювання часу, подібно до того, як нині ми поблажливо дивимося на рухи маятника в механічному підлоговому годиннику наших предків.

Науковий світ облетіла сенсація – з нашого Всесвіту… випаровується час! Поки що це лише гіпотеза іспанських астрофізиків. Але те, що протягом Землі і в космосі відрізняється, вченими вже доведено. Час під впливом гравітації протікає повільніше, прискорюючись при віддаленні планети. Завдання синхронізувати земне та космічний часвиконують водневі стандарти частоти, які ще називають «атомним годинником».

Перший атомний час з'явився разом із виникненням космонавтики, атомний годинник з'явився в середині 20-х років. Зараз атомний годинник став повсякденною річчю, ним щодня користується кожен з нас: з їх допомогою працює цифровий зв'язок, ГЛОНАС, навігація, транспорт.

Власники мобільних телефонівнавряд чи замислюються над тим, яка складна роботав космосі проводиться для жорсткої синхронізації за часом, адже йдеться лише про мільйонні частки секунди.

Еталон точного часу зберігається в Підмосков'ї, Науковий інститутфізико-технічних та радіо-технічних вимірювань. Усього таких годинників у світі – 450.

Монополістами на атомний годинник є Росія і США, але в США годинник працює на основі цезію - радіоактивного металу, дуже шкідливого для екології, а в Росії - на основі водню - більш безпечного довговічного матеріалу.

Цей годинник не має циферблату і стрілок: вони схожі на велику бочку з рідкісних і цінних металів, наповнену найпередовішими технологіями – високоточними вимірювальними приладамита апаратурою з атомними стандартами. Процес їх створення дуже довгий, складний і відбувається за умов абсолютної стерильності.

Вже 4 роки годинник, встановлений на російському супутнику, вивчають темну енергію. За людськими стандартами вони втрачають точність на 1 секунду за багато мільйонів років.

Незабаром атомний годинник встановить на Спектр-М – космічну обсерваторію, яка побачить як формуються зірки та екзопланети, зазирне за краєчок чорної діркиу центрі нашої Галактики. На думку вчених, через жахливу гравітацію час протікає тут настільки повільно, що майже зупиняється.

tvroscosmos