Атамны гадзіннік

Атамны гадзіннік

Атамны гадзіннік (малекулярны, квантавы гадзіннік) — прыбор для вымярэння часу, у якім у якасці перыядычнага працэсу выкарыстоўваюцца ўласныя ваганні, звязаныя з працэсамі, якія адбываюцца на ўзроўні атамаў ці малекул.

Атамныя гадзіннікі важныя ў навігацыі. Вызначэнне становішча касмічных караблёў, спадарожнікаў, балістычных ракет, самалётаў, падводных лодак, а таксама перамяшчэнне аўтамабіляў у аўтаматычным рэжыме па спадарожнікавай сувязі (GPS, ГЛАНАСС, Galileo) нельга ўявіць без атамных гадзіннікаў. Атамныя гадзіннікі выкарыстоўваюцца таксама ў сістэмах спадарожнікавай і наземнай тэлекамунікацыі, у тым ліку ў базавых станцыях мабільнай сувязі, міжнароднымі і нацыянальнымі бюро стандартаў і службамі дакладнага часу, якія перыядычна передаюць сігналы часу па радыё.

З 1967 года міжнародная сістэма адзінак СІ вызначае адну секунду як 9 192 631 770 перыядаў электрамагнітнага выпраменьвання, якое ўзнікае пры пераходзе паміж двума звыштонкімі ўзроўнямі асноўнага стану атама цэзію-133. Згодна з гэтым азначэннем, атам цэзію-133 з'яўляецца стандартам для вымярэнняў часу і частаты. Дакладнасць вызначэння секунды вызначае дакладнасць вызначэння іншых асноўных адзінак, такіх як, напрыклад, вольт або метр, якія маюць секунду ў сваім азначэнні.

Стабільнасць атамных гадзіннікаў ${\displaystyle \Delta \nu /\nu }$ (дзе ${\displaystyle \Delta \nu }$ — адхіленне частаты ${\displaystyle \nu }$ гадзінніка за некаторы перыяд часу) звычайна ляжыць у граніцах 10⁻¹⁴ — 10⁻¹⁵ , а ў спецыяльных канструкцыях дасягае 10^{−17 [1]}, і з'яўляецца найлепшай сярод усіх існуючых тыпаў гадзіннікаў ^[1].

Устройства гадзінніка

Атамны гадзіннік складаецца з некалькіх частак:

• квантавы дыскрымінатар,
• кварцавы генератар,
• комплекс электронікі.

Кварцавы генератар уяўляе сабой аўтагенератар, у якасці рэзананснага элемента якога выкарыстоўваюцца п'езаэлектрычныя моды кварцавага крышталя. Згенераваныя ім электрамагнітныя ваганні маюць фіксаваную частату, роўную, як правіла^[2]}}, 10 МГц, 5 МГц або 2,5 МГц, з магчымасцю перастройкі ў невялікіх граніцах (± 10⁻⁶, напрыклад, змяненнем тэмпературы крышталя). Звычайна даўгачасная стабільнасць кварцавага рэзанатара малая і складае каля ${\displaystyle \Delta \nu /\nu =10^{-7}}$. З мэтай павышэння яго стабільнасці выкарыстоўваюць ваганні атамаў або малекул, для чаго ваганні кварцавага генератара з частатой ${\displaystyle \nu _{o}}$ пастаянна параўноўваюцца c дапамогай частотна-фазавага кампаратара з частатой атамнай лініі ${\displaystyle \nu _{a}}$, якая рэгіструецца ў квантавым дыскрымінатары. Пры з'яўленні розніцы ў фазе і частаце ваганняў, схема зваротнай сувязі падстройвае частату кварцавага генератара да патрэбнага значэння, павышаючы тым самым стабільнасць і дакладнасць гадзінніка да ўзроўню ${\displaystyle \Delta \nu /\nu =10^{-14}}$.

У СССР ідэолагам стварэння атамных гадзіннікаў быў акадэмік Мікалай Генадзевіч Басаў^[3].

Нацыянальныя цэнтры стандартаў частаты

Рост дакладнасці атамных гадзіннікаў за 50 гадоў. NIST, ЗША

Многія краіны стварылі нацыянальныя цэнтры стандартаў часу і частаты^[4]:

• Усерасійскі навукова-даследчы інстытут фізіка-тэхнічных і радыётэхнічных вымярэнняў (ВНИИФТРИ), п. Мендзялеева, Маскоўская вобласць;
• Нацыянальны інстытут стандартаў і тэхналогій^be_ru (NIST), Боўлдэр (ЗША, штат Каларада);
• Нацыянальны інстытут перадавой прамысловай навукі і тэхналогіі^be_en (AIST), Токіа (Японія);
• Федэральнае фізіка-тэхнічнае агенцтва^be_de (PTB), Браўншвайг (Германія);
• Нацыянальная лабараторыя метралогіі і выпрабаванняў^be_fr (LNE), Парыж (Францыя).
• Нацыянальная фізічная лабараторыя Вялікабрытаніі^be_en (NPL), Лондан, Вялікабрытанія.

Навукоўцы розных краін працуюць над удасканаленнем атамных гадзіннікаў і заснаваных на іх дзяржаўных першасных эталонаў часу і частаты, дакладнасць такіх гадзіннікаў няўхільна павышаецца. У Расіі шырокія даследаванні, накіраваныя на паляпшэнне характарыстык атамных гадзін, праводзяцца ў Фізічным інстытуце імя Лебедзева^be_ru.

Тыпы атамных гадзіннікаў

Не кожны атам (малекула) падыходзіць у якасці асновы для атамнага гадзінніка. Выбіраюць атамы, неадчувальныя да розных знешніх уздзеянняў: магнітных, электрычных і электрамагнітных палёў. Для кожнага дыяпазону электрамагнітнага спектра выпраменьвання такія атамы існуюць. Гэта: атамы кальцыю, рубідыю, цэзію, стронцыю, малекулы вадароду, ёду, метану, аксід осмію (VIII) і г. д. У якасці асноўнага (першаснага) стандарту частаты абраны звыштонкі пераход у стабільным атаме цэзію. Характарыстыкі ўсіх астатніх (другасных) стандартаў параўноўваюцца з гэтым стандартам. Каб ажыццявіць такое параўнанне, у цяперашні час выкарыстоўваюцца так званыя аптычныя грабяні^be_en — выпраменьванне з шырокім частотным спектрам ў выглядзе эквідыстантных ліній, адлегласць паміж якімі прывязваецца да атамным стандарту частаты. Аптычныя грэбні атрымліваюць з дапамогай фемтасекунднага лазера з сінхранізацыяй мод і мікраструктураванага оптавалакна, у якім адбываецца пашырэнне спектра да адной актавы.

У 2006 годзе даследчыкі з амерыканскага Нацыянальнага інстытута стандартаў і тэхналогій пад кіраўніцтвам Джыма Бергквіста (англ.: Jim Bergquist) распрацавалі гадзіннік, які працуе на адным атаме ртуці^[5]. Пры пераходах паміж энергетычнымі ўзроўнямі іона ртуці генеруюцца фатоны бачнага дыяпазону са стабільнасцю ў 5 разоў вышэйшаю, чым у мікрахвалевага выпраменьвання цэзію-133. Новы гадзіннік могуць таксама знайсці прымяненне ў даследаваннях залежнасці змены фундаментальных фізічных пастаянных ад часу.

Вядуцца актыўныя распрацоўкі кампактных атамных гадзіннікаў для выкарыстання ў паўсядзённым жыцці (наручныя гадзіннікі, мабільныя прылады)^[6][7][8]. У пачатку 2011 амерыканская кампанія Symmetricom абвясціла аб камерцыйным выпуску цэзіевых атамных гадзіннікаў памерам з невялікую мікрасхему. Гадзіннік працуе на аснове эфекту кагерэнтнага паланення населенасці. Іх стабільнасць — 5·10⁻¹¹ за гадзіну, маса — 35 г, спажываная магутнасць — 115мВт^[9].

Зноскі

1. Поставлен новый рекорд точности атомных часов (нявызн.)(недаступная спасылка). Membrana (5 февраля 2010). Архівавана з першакрыніцы 9 лютага 2012. Праверана 4 сакавіка 2011.
2. Прыведзеныя частоты характэрныя іменна для прэцызійных кварцавых рэзанатараў, з самай высокай дабротнасцю і стабільнасцю частаты, дасягальнай пры выкарыстанні п'езаэфекту. Наогул жа, кварцавыя генератары выкарыстоўваюцца на частотах ад адзінак кГц да некалькіх соцень 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 лютага 2011 г. (Праверана 14 чэрвеня 2011)
5. Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Single-Atom Optical Clock with HighAccuracy(англ.) // Phys. Rev. Lett.. — American Physical Society, 4 ліпеня 2006. — Т. 97. — № 2. — ISSN 0031-9007. — DOI:10.1103/PhysRevLett.97.020801
6. Атомные часы: скоро в мобильниках (нявызн.)(недаступная спасылка). CNews (3 сентября 2004). Архівавана з першакрыніцы 9 лютага 2012. Праверана 13 снежня 2010.
7. Игорь Лалаянц Атомные наручники // Знание - сила. — 2005. — № 9. — ISSN 0130-1640. Архівавана з першакрыніцы 24 чэрвеня 2008.
8. Российские физики создали «сердце» миниатюрных атомных часов (нявызн.). Lenta.ru (18 марта 2010). Архівавана з першакрыніцы 9 лютага 2012. Праверана 13 снежня 2010.
9. — SA.45s — Chip Scale Atomic Clock — Symmetricom

Спасылкі

• На Вікісховішчы ёсць медыяфайлы па тэме Атамны гадзіннік

• NIST chip-scale atomic clock project (нявызн.)(недаступная спасылка). Архівавана з першакрыніцы 9 лютага 2012. Праверана 16 лістапада 2014.
• Георгий Мешков. В атомных часах нового поколения будут использоваться атомы стронция (нявызн.)(недаступная спасылка). Компьюлента (5 декабря 2006). Архівавана з першакрыніцы 10 лістапада 2010. Праверана 13 снежня 2010.
• Новый рекорд точности измерения времени достигнут ртутными атомными часами (нявызн.). Полит.ру (25 июля 2006). Архівавана з першакрыніцы 9 лютага 2012. Праверана 13 снежня 2010.
• Richard Alleyne. World's most accurate clock unveiled (англ.). The Daily Telegraph (16 апреля 2009). Архівавана з першакрыніцы 9 лютага 2012. Праверана 13 снежня 2010.
• Краткая история атомных часов в NIST. (A Brief History of Atomic Clocks at NIST) (англ.). The National Institute of Standards and Technology, USA. Архівавана з першакрыніцы 24 мая 2012. Праверана 26 лютага 2012.
• Нина Бирючкова. Сверхточные атомные часы Архівавана 18 верасня 2015.. gridder.ru (14 апреля 2014).