Портативний оптичний атомний годинник дебютує в комерційних цілях – Physics World

Атоми є найточнішими вимірювачами часу у світі – настільки, що секунда визначається рівно як 9 192 631 770 тактів атомного годинника на основі цезію. Комерційно доступні версії цих годинників з атомарною точністю лежать в основі GPS, навігації, передачі даних і фінансових ринків, і вони працюють на мікрохвильових частотах або мільярдах тактів за секунду. Через добу їх хронометраж відстає менш ніж на десять наносекунд.

Незважаючи на те, що це добре, наступне покоління атомних годинників ще точніше. Ці лабораторні конструкції працюють на оптичних частотах, тобто вони тикають десятки трильйонів разів на секунду. Найкращі з них можуть залишатися з точністю до 10 фемтосекунд (10^-15 s) через добу або протягом секунди через 50 мільярдів років. І незабаром ви вперше зможете придбати свій власний: Vector Atomic, стартап із Каліфорнії, США, поставив перший портативний оптичний годинник на ринку.

«Сьогодні єдині годинники, які ви можете купити, — це мікрохвильові годинники», — каже Джонатан Хоффман, керівник програми в Агентстві перспективних оборонних досліджень США (DARPA), яке фінансувало роботу. «Якщо ви перейдете до оптичного переходу, ви отримаєте величезний виграш у точності та продуктивності, але водночас він також зазвичай супроводжується неймовірною складністю. Знайти щасливий компроміс – справжня битва».

Знаходження потрібних атомів

Головною відмінністю оптичних годинників від їх мікрохвильових попередників є лазери. Щоб побудувати якомога точніші годинники, вчені використовують атоми, які пропонують найвужчі атомні переходи – як правило, стронцій або ітербій – і проектують свої лазерні системи відповідно до конкретних вимог цих атомів. Атоми зберігаються у вакуумних камерах, а різні лазери використовуються для їх охолодження та уловлювання, тоді як інші лазери блокують небажані переходи або запитують бажаний, який використовується в годиннику. Усі ці лазери, загалом до дюжини, потребують стабілізації на точних частотах, а їх обслуговування потребує постійного нагляду.

Щоб створити менш точну, але більш надійну та портативну версію оптичного годинника, генеральний директор і співзасновник Vector Atomic Джаміль Або-Шаїр довелося застосувати інший підхід. «Замість того, щоб розробляти систему навколо атома, ми розробили систему навколо лазерів», — каже він.

Або-Шаїр пояснює, що найміцніші, найбільш перевірені часом лазери використовуються в телекомунікаціях і промисловому машинобудуванні. Завдяки рокам (або навіть десятиліттям) комерційних досліджень і розробок вони надзвичайно компактні та стабільні, і він та його команда вибрали атомарний вид, який їм підходить: молекулярний йод. Ця молекула має зручні переходи поблизу інфрачервоного лазера з подвоєною частотою, який зазвичай використовується в механічній обробці. Команда також обрала просту установку парової комірки, яка дозволяє уникнути охолодження атомів до низьких температур або утримання їх у надвисокому вакуумі.

Результатом став готовий до роботи оптичний годинник, який команда назвала Evergreen, об’ємом лише 30 літрів – приблизно розмір програвача. Незважаючи на те, що точність вимірювання часу Evergreen далека від сучасного лабораторного рівня, він у 100 разів точніший, ніж існуючі мікрохвильові годинники порівнянного розміру. Він також відповідає продуктивності годинників на основі водневих мазерів – пристроїв розміром з холодильну камеру, які надзвичайно чутливі до шуму навколишнього середовища.

Морські випробування

Влітку 2022 року прототип Evergreen провів три тижні на борту корабля в морі для тестування. Протягом цього часу годинник працював без стороннього втручання. Після повернення команда перевірила роботу годинника і виявила, що він не погіршився, незважаючи на турбулентність і коливання температури на борту корабля. «Коли це сталося, я подумав, що всі повинні встати і кричати з дахів», — каже Хоффман. «Я маю на увазі, що люди працювали над цими оптичними годинниками десятиліттями. І це був перший раз, коли оптичний годинник працював сам по собі без втручання людини в реальному світі».

За словами Або-Шаїра, розмір і стабільність Evergreen прокладають шлях для широкого застосування таких годинників у навігації, особливо коли сигнали GPS заблоковані або підроблені; в центрах обробки даних і телекомунікаційних протоколах; а також для синхронізації сигналів від віддалених детекторів для наукових цілей. Наразі GPS має точність приблизно до трьох метрів, але більш точне визначення часу на супутниках може знизити це значення до кількох сантиметрів або менше, дозволяючи автономним транспортним засобам залишатися на своїх смугах, а безпілотникам-доставникам — сідати на балкон. Або-Шаєр додає, що здатність розділяти час на менші шматочки також має забезпечити більшу пропускну здатність зв’язку.

Портативний оптичний решітчастий годинник вимірює висоту

Чи буде саме цей годинник той, який забезпечить наступне покоління GPS і швидшу передачу даних, ще невідомо. Але технологічний прогрес все одно є значним, каже Елізабет Донлі, керівник відділу часу та частоти Національного інституту стандартів і технологій США (NIST) у Боулдері, штат Колорадо. «Існує потенційно багато інших типів оптичних годинників, які можуть з’явитися на ринку протягом наступного десятиліття», — каже Донлі, який не брав участі в роботі Vector Atomic. «Серцем цієї речі є йодна камера, але цю інфраструктуру можна використовувати і для інших типів годинників».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/portable-optical-atomic-clock-makes-its-commercial-debut/