Металл в сверхточных атомных часах
70 лет назад физики впервые изобрели атомные часы — самый точный на сегодняшний день прибор для измерения времени. С тех пор устройство прошло путь от концепта размером с целую комнату до микроскопического чипа, который можно встроить в носимые устройства. «Хайтек» объясняет, как работают атомные часы, чем отличаются от привычных нам приборов для измерения времени и почему они вряд ли станут массовым явлением.
Читайте «Хайтек» в
Начнем с простого: что такое атомные часы?
Это не так уж просто! Для начала разберемся, как работают привычные нам инструменты для измерения времени — кварцевые и электронные хронометры.
Часы, которые могут измерять секунды, состоят из двух компонентов:
- Физическое действие, которое повторяется определенное количество раз в секунду.
- Счетчик, который сигнализирует, что секунда прошла, когда происходит определенное количество действий.
В кварцевых и электронных часах физическое действие происходит в кристалле кварца определенного размера, который сжимается и разжимается под воздействием электрического тока с частотой 32 768 Гц. Как только кристалл совершает это количество колебаний, часовой механизм получает электрический импульс и поворачивает стрелку — так работает счетчик.
В атомных часах процесс происходит иначе. Счетчик фиксирует микроволновый сигнал, испускаемый электронами в атомах при изменении уровня энергии. Когда атомы щелочных и щелочноземельных металлов вибрируют определенное количество раз, прибор принимает это значение за секунду.
Показания цезиевых атомных часов лежат в основе современного определения секунды в международной системе единиц измерения СИ. Она определяется как промежуток времени, в течение которого атом цезия-133 (133Cs) совершает 9 192 631 770 переходов.
Атомные часы и правда очень точные?
Да! Например, механические кварцевые часы работают с точностью ±15 секунд в месяц. Когда кварцевый кристалл вибрирует, он теряет энергию, замедляется и теряет время (чаще всего такие часы спешат). Подводить такие часы нужно примерно два раза в год.
Кроме того, со временем кристалл кварца изнашивается и часы начинают спешить. Такие измерительные приборы не отвечают требованиям ученых, которым необходимо делить секунды на тысячи, миллионы или миллиарды частей. Механические компоненты нельзя заставить двигаться с такой скоростью, а если бы это удалось сделать, их компоненты изнашивались бы крайне быстро.
Цезиевые часы отклонятся на одну секунду за 138 млн лет. Однако точность таких измерительных приборов постоянно растет — на данный момент рекорд принадлежит атомным часам с точностью около 10 в степени –17, что означает накопление ошибки в одну секунду за несколько сот миллионов лет.
Раз в атомных часах используются цезий и стронций, они радиоактивны?
Нет, радиоактивность атомных часов — это миф. Эти измерительные приборы не полагаются на ядерный распад: как и в обычных часах, в них присутствует пружина (только электростатическая) и даже кристалл кварца. Однако колебания в них происходят не в кристалле, а в ядре атома между окружающими его электронами.
Ничего не понимаем! Как же тогда работают атомные часы?
Расскажем о самых стабильных, цезиевых часах. Измерительный прибор состоит из радиоактивной камеры, кварцевого генератора, детектора, нескольких тоннелей для атомов цезия и магнитных фильтров, которые сортируют атомы низкой и высокой энергии.
Прежде чем попасть в тоннели, хлорид цезия нагревается. Это создает газовый поток ионов цезия, которые затем проходят через фильтр — магнитное поле. Оно разделяет атомы на два подпотока: с высокой и низкой энергией.
Низкоэнергетичный поток атомов цезия проходит через радиационную камеру, где происходит облучение с частотой 9 192 631 770 циклов в секунду. Это значение совпадает с резонансной частотой атомов цезия и заставляет их изменить энергетическое состояние.
Следующий фильтр отделяет низкоэнергетичные атомы от высокоэнергетичных — последние остаются в случае, если произошло смещение частоты излучения. Чем ближе частота облучения к резонансной частоте атомов, тем больше атомов станут высокоэнергетическими и попадут на детектор, который преобразует их в электричество. Ток необходим для работы кварцевого генератора — он отвечает за длину волны в радиационной камере, — а значит за то, чтобы цикл повторился вновь.
Предположим, кварцевый генератор теряет свою энергию. Как только это происходит, излучение в камере ослабевает. Следовательно, количество атомов цезия, переходящих в состояние высокой энергии, падает. Это дает сигнал резервной электрической цепи отключить генератор и скорректировать период колебаний, тем самым фиксируя частоту в очень узком диапазоне. Затем эта фиксированная частота делится на 9 192 631 770, что приводит к формированию импульса, отсчитывающего секунду.
Если атомные часы тоже зависят от кварцевого кристалла, в чем тогда прорыв?
Действительно, кварцевый генератор — самое слабое место цезиевых атомных часов. С момента создания первого такого измерительного прибора исследователи ищут способ отказаться от компонента — в том числе за счет экспериментов с различными щелочными и щелочноземельными металлами, помимо цезия.
Например, в конце 2017 года ученые из Национального института стандартов и технологий США (NIST) создали в качестве основы для атомных часов трехмерную решетку из 3 тыс. атомов стронция.
Исследователям удалось доказать, что увеличение числа атомов в решетке приводит к увеличению точности часов, а при максимальном количестве атомов точность составила погрешность в одну секунду за 15 млрд лет (примерно столько прошло со времен Большого взрыва).
Но стабильность работы стронциевых часов еще предстоит проверить — сделать это можно только со временем. Пока ученые берут за основу для измерений показания цезиевых атомных часов с кварцевым кристаллом внутри.
Ясно! Значит, скоро атомные часы станут обычным делом?
Маловероятно. Проблема заключается в том, что точность атомных часов регулируется принципом неопределенности Гейзенберга. Чем выше точность частоты излучения, тем выше фазовый шум, и наоборот. Повышение фазового шума означает, что необходимо усреднить множество циклов для достижения необходимого уровня точности частоты. Это делает разработку и поддержание работоспособности атомных часов довольно дорогими для массового использования.
Сейчас атомные часы установлены на базовых станциях мобильной связи и в сервисах точного времени. Без них была бы невозможна работа навигационных систем (GPS и ГЛОНАСС), в которых расстояние до точки определяется по времени приема сигнала от спутников. Кварцевые кристаллы являются доминирующим решением. Даже в дорогостоящем испытательном оборудовании, таком как осциллограф серии Keysight UXR1104A Infiniium UXR: 110 ГГц, четыре канала (цена не указана, но она находится в диапазоне $1 млн) используют стабилизированные в печи кристаллы кварца для эталонов, стабильных во времени.
Однако в большинстве случаев использование простого кварцевого кристалла будет дешевле и эффективнее, — потому что кварц имеет гораздо лучшее соотношение точности частоты к фазовому шуму. Поэтому атомные часы необходимы только в случае, когда нужно иметь заданную точность частоты в течение продолжительного времени — десятков и сотен лет. Такие случаи крайне редки — и вряд ли действительно необходимы обычному человеку, а не ученому.
Сверим атомные часы: зачем науке будущего нужно так точно измерять время
Атомные часы — это сверхточные инструмент измерения времени, который сегодня имеет ничтожную погрешность в секунду на несколько миллиардов лет. Такой механизм не носят на руке, чтобы не опоздать на работу, а используют для того, чтобы вычислять огромные расстояния между планетами, при отображении глобальных карт и даже для того, чтобы измерить искажение пространства-времени. Подробнее о том, почему наука не может обойтись без атомных часов.
Как атомные часы измеряют время
В конструкции атомных часов есть кварцевый кристалл: он сжимается и разжимается, именно этот процесс заставляет часы работать. Этот процесс контролируют колебания внутри атома. Эти колебания — периодические переходы между возбужденным и основным энергетическими уровнями в атомах.
Чтобы понять, как это работает, нужно вспомнить строение атома. В центре есть ядро, которое заряжено положительно: вокруг находятся заряженные отрицательно электроны, каждый на своей орбите. При этом каждый из них находится на конкретном энергетическом уровне, то есть имеет то или иное количество энергии за счет притяжения к ядру.
Этот уровень можно изменить, если послать электрону большее количество энергии, для этого можно, например, нагреть атом. Потом электрон снова вернется на свой уровень и отдаст излишки в виде излучения. Вот на этом излучении все и построено: оно имеет определенную частоту и напоминает маятник в часах.
Сегодня атомные часы могут работать на атомах рубидия, стронция, водорода: принцип от этого не меняется.
Конструкцию атомных часов постоянно улучшают, например, был изобретен механизм, который отстает на одну секунду раз в несколько сотен миллиардов лет.
Без атомных часов не будет навигации на Земле и в космосе
Атомные часы нужны в первую для навигации: ГЛОНАСС и GPS, так как эти системы определяют расстояние по времени, за которое сигнал проходит от точки на Земле до спутника и обратно. Часы используют для измерения расстояния между объектами исходя из замеров, сколько времени требуется сигналу для перемещения из точки A в точку Б.
В настоящее время для навигации, чтобы точно определить местоположение космического корабля, используются атомные часы на Земле размером с холодильник.
Может пройти больше часа, пока сигнал дойдет до космического корабля и вернется на Землю.
По этим данным вычисляются координаты и инструкции: их отправляют обратно на космический корабль.
Если на борту космического корабля будут собственные часы, то он сможет сам рассчитывать свою траекторию. Это позволит путешествовать дальше и безопасно транспортировать людей на другие планеты.
Узнать расстояние между планетами с помощью атомных часов
Но основной заказчик атомных часов — астрономы. Они используют атомные часы, чтобы измерять огромные расстояния в космосе и определять, сколько нас отделяет от определенной планеты или астероида.
Для этого они посылают сигнал и фиксируют время его возвращения. Если погрешность будет хоть на секунду, то можно потерять примерно триста тысяч километров в точности.
Как атомные часы помогут найти темную материю
Темная материя может воздействовать на нашу обычную материю и у этого должны быть последствия. Одним из них может быть изменение постоянной тонкой структуры, одной из фундаментальных физических констант.
Постоянная тонкой структуры — это отношение скорости вращения электрона на первой орбитали к скорости света, и она равна примерно 0,007.
Ученые ранее считали, что эта константа всегда равна одной и той же величине, но, как показали недавние открытия она может незначительно меняться.
По одной из теорий, темная материя — это топологические дефекты пространства, возникшие во время Большого взрыва. Они могут повлиять на постоянную.
Ученые использовали несколько атомных часов, так как дефекты топологии должны действовать на отдаленные предметы в пространстве по-разному должны действовать на разные часы, разнесенные в пространстве.
Для того, чтобы повысить точность, авторы объединили часы для повышения точности в сеть из четырех устройств, каждое находилось в одной из стран: в Польше, США, Японии и Франции. Данные от всех устройств сводятся вместе, чтобы анализировать топологические эффекты.
Сверхточные атомные часы смогут измерить искажение пространства-времени
Ученые уверены, что достаточно точные атомные часы могут служить инструментом, измеряющим, как объекты за счет гравитации искажают окружающее пространство.
Физики из Национального института стандартов и технологий в Боулдере использовали лазеры и создали импровизированную ловушку для атомов: она выглядела как несколько очень маленьких чашек.
Тысячи атомов иттербия заполняют эти чашки, если воздействовать на них лазерным лучом правильной частоты,а электроны на орбите совершат переход на один энергетический уровень.
В такой системе электроны будут делать более квадриллиона переходов. Как только лазер настроен на «идеальную» частоту, начинается перевод информации из частоты лазерного излучения в сигнал, который может принять и расшифровать электронное устройство, то есть те самые часы.
Ученые смогли настроить лазер так, что теперь полученные данные помогут определить влияние гравитации на само пространство-время.
Атомные часы — это важный инструмент измерения такой эфемерной величины как время. Без него не получится отследить малейшие изменения в земном времени или измерить расстояние до соседних планет и галактик.
А в будущем атомные часы станут незаменимы при колонизации планет и изучении темной материи.
Самые маленькие атомные часы — азот в углеродной клетке
Примерно так выглядит молекула азотного фуллерена. Атом азота внутри углеродной клетки, сформированной 60 атомами углерода
Современная система геопозиционирования GPS, разработанная военными США, позволяет транспортным средствам, гаджетам и их владельцам ориентироваться во времени и в пространстве. Система передает данные с завидной точностью — примерно 1 сигнал за 100 наносекунд. Эти сигналы необходимы для точной навигации. Зная скорость распространения радиоволн, можно рассчитать собственное местоположение с ошибкой в несколько метров.
Но системы геопозиционирования (GPS, ГЛОНАСС и другие) не могут решить все проблемы со временем. Дело в том, что сами спутники такой системы «узнают» время по атомным часам, которые очень точны. Тем не менее, может дать сбой сам сигнал — из-за влияния злоумышленников или же природных факторов (солнечный шторм или даже простое отражение радиосигнала от зданий). Но что, если атомные часы встроить в GPS-приемник?
Это не досужие размышления, а реальный проект, описание которого опубликовано в авторитетном издании Physical Review Letters. Такие мобильные атомные часы, как считают авторы исследования, действительно возможны. Также ученые надеются вскоре создать подобный «механизм».
Сердцем и функциональным центром любых атомных часов является емкость с откаченным воздухом и «облаком» парообразного металла, обычно это цезий. Атомы резонируют с определенной частотой, которую фиксируют при помощи приборов. При этом атомы цезия «равнодушны» к физическому воздействию на часы, к вибрациям и прочим факторам, к которым очень чувствительны, например, наручные часы. Габариты таких систем очень разные. Но есть уже атомные часы, размер которых не превышает размер небольшого чемодана.
А в 2004 году появились еще более миниатюрные системы, разработанные учеными National Institute of Standards and Technology. Они смогли добиться уменьшения размера атомных часов до габаритов одного чипа. Такие системы применяются в ряде направлений науки и техники, включая военное дело и подводную навигацию. Но, к сожалению, миниатюризация очень сильно влияет на цену. Чем меньше атомные часы, тем они дороже. Дело в том, что производить такие системы крайне сложно.
В общем, вряд ли можно ожидать появления атомных часов такого типа в ноутбуках или телефонах. Если даже и появятся, то устройства будут стоить очень дорого. И вряд ли при стоимости в пару десятков тысяч долларов телефон будет популярным, а ведь именно спрос порождает предложение, и технологии идут в «массы». Пока не удастся удешевить производство подобных систем, миниатюрные атомные часы останутся уделом узкого круга специалистов. Может быть, военные смогут оплачивать подобные системы, возможно, НАСА и другие космические агентства. Но выхода «в люди» не состоится.
Выходом из такой ситуации может быть альтернативный вариант создания атомных часов, предложенный в 2008 году Эндрю Бриггсом и Аржангом Ардаваном из Оксфордского университета. Ученые предложили забыть о вакууме и металлическом паре, и просто закрыть один-единственный атом азота в углеродной клетке. Клетка эта — эндоэдральный фуллерен. Эндоэдральные фуллерены — молекулы фуллеренов, в клетку которых заключены один или несколько атомов или молекул.
Один из наиболее подходящих для целей экспериментаторов фуллеренов — N@C60. Это атом азота внутри клетки из 60 атомов углерода. Эта структура напоминает футбольный мяч. Атом азота, фактически, свободно перемещается в этой клетке, сохраняя свои свойства. Кстати, ученые уже создавали аналогичные структуры с гелием и неоном. Но, как оказалось, именно атом азота в своей «клетке» идеально подходит для создания миниатюрных атомных часов.
Здесь есть интересный нюанс — N@C60 это молекула, которая не должна существовать, поскольку реактивная способность атома азота очень высокая. Для создания сложной структуры такого типа требуются особые условия, которые вполне можно назвать экстремальными. Дело в том, что вдавить атом азота в углеродную структуру примерно то же самое, что и заставить воду из крана течь вверх. Речь идет о термодинамической особенности такой реакции. Но как только структура сформирована, она сразу становится стабильной, поскольку углерод изолирует и стабилизирует атом азота. Таким образом, получившийся продукт можно хранить без особых проблем.
В лаборатории Оксфордского университета нашли способ производить азотные фуллерены если не массово, то достаточно быстро. Здесь используют метод, который называется «ионная имплантация». Фуллерен нагревается до температуры испарения в вакуумной емкости, после чего они осаждаются на подложке. Образуется тонкая пленка C60. Пока эта пленка растет, ее бомбардируют атомами азота. Некоторые из них застревают в пленке, формируя желаемую структуру. Правда, производительность очень низкая: молекула «азотного фуллерена» образуется 1 раз на 10000 случаев.
После того, как процедура завершена, необходимо выделить N@C60. Проблема в том, что химические свойства C60 и N@C60 практически идентичны. Тем не менее, различия все же есть. Это, во-первых, молекулярный вес, во-вторых, поляризуемость. Эти два отличия делают возможным экстракцию азотного фуллерена при помощи способа, получившего название жидкостная хроматография высокого давления (HPLC).
При обычной хроматографии вещества, имеющие различные химические характеристики, отделяются друг от друга, проходя, например, по волокнам специальной бумаги. В случае хроматографии высокого давления принцип тот же, но вещество прогоняется по «разделителю» под давлением. В случае с разделением азотного фуллерена операцию нужно провести множество раз, чтобы отделить C60 от N@C60.
Так а что с атомными часами? В этом случае используется генератор, который излучает радиосигнал, частота которого близка к показателю поглощения радиосигнала азотом. Этот сигнал передается по антенне в емкость, где находятся молекулы азотного фуллерена. Это может быть порошок или раствор. Если осциллятор правильно настроен, радиосигнал поглощается. Если нет, то сигнал проходит через раствор/порошок. Используя специальную систему настройки с обратной связью, ученые добились автоматической подгонки сигнала под необходимые показатели. Все это может использоваться для создания атомных часов.
Сейчас основная задача, которая стоит перед учеными — создание миниатюрного чипа на основе молекулы фуллерена. Такая система будет лишена оптических элементов, которые обычно используются в атомных часах. Также не требуется поддержание вакуума. Такие системы будут миниатюрными и энергоэффективными. Они также смогут заменить кварцевые генераторы, используемые в современных электронных устройствах для отслеживания времени.
Раствор фуллеренов в колбе
По мнению создателей этой технологии, способов ее применения очень много. Портативные сверхточные часы нужны всем — создателям электронных устройств, военным, ученым, врачам. Что касается системы GPS, то сигнал ее можно будет ловить даже в помещениях. Этому будет способствовать размещение атомных часов внутри самого электронного устройства, приемника. Сигнал GPS очень сложно будет заглушить — сейчас сделать это достаточно просто. Даже, если спутниковая сеть будет частично повреждена (выйдут из строя некоторые спутники), GPS -приемники на Земле со встроенными атомными часами будут работать.
Кроме того, можно будет создавать миниатюрные системы геопозиционирования для транспортных средств, таможенной службы, почтовых сервисов. Посылки и оборудование можно будет отслеживать без всяких проблем, даже во время прохождения таких систем через тоннели.
Конечно, до создания коммерческой системы еще далеко — ученым нужно заинтересовать компании своим изобретением. Кстати, стоит азотный фуллерен всего ничего — $266 млн за один грамм вещества. Эндоэдральный фуллерен, фактически, стал самым дорогим веществом на Земле, уступая лишь антивеществу (получение которого в сколь-нибудь значимых количествах пока что наладить невозможно). По некоторым подсчетам, 1 грамм антивещества обойдется в 48 трлн долларов. Но это в случае, если будет найден практичный способ хранения антиматерии.
Электрон в качестве маятника: как работают атомные часы
Итак, пока наши знания дают возможность определять время в зависимости от механических изменений, происходящих в мире. Например, один полный оборот Земли вокруг своей оси определяет день, а вокруг Солнца — год. Но у людей появилась необходимость разбить сутки на более маленькие и четко определяемые отрезки — часы, минуты, секунды.
Для отсчета этих единиц люди придумали особые устройства — часы. Их история длится века, а вместе с технологиями растут и требования к точности измерения времени. Если в быту мы отлично обходимся механическими и электронными часами, то наука требует куда более точных приборов.
Основой для подсчета времени служит некое повторяемое событие, когда объект возвращается в начальное состояние через строго определенный промежуток времени. Например, в механических часах крутятся шестеренки (или качается маятник), а в песочных часах наступает момент, когда все песчинки падают на дно сосуда.
Конечно, современные электронные и механические часы намного точнее их предшественников — водных, песочных и солнечных. Но а некоторых областях требовались еще более точные механизмы. И люди создали часы, работающие на основе процессов, происходящих внутри атома.
Как известно, атом состоит из ядра и электронного облака. Электроны располагаются на разных энергетических уровнях. Чем дальше электрон от ядра, тем большей энергией он обладает. Представьте собаку, привязанную к стальной балке прочным, но растяжимым поводком. Чем дальше она хочет отойти, тем сильнее ей надо натянуть поводок. Конечно, сильная крупная собака сможет отойти дальше, чем маленькая и слабая.
При переходе на уровень ниже электрон испускает энергию, а при переходе на более высокий уровень — поглощает. "Прыжками" электронов можно управлять при помощи электромагнитного излучения, являющегося источником энергии. Излучение имеет определенную частоту. Эта величина обратна периоду колебания, то есть времени, необходимому для возвращения совершающего "замкнутые" движения объекта в первоначальное состояние.
Для атомных часов используют кальций, водород, тулий, стронций, рубидий, торий, йод и метан, а чаще всего — цезий. Электроны в атомных часах на основе цезия-133 при переходе с одного энергетического уровня на другой испускают электромагнитное излучение с частотой 9 192 631 770 Гц. Именно на такое число промежутков делится секунда в этих природных часах. Согласно определению, официально принятому еще в 1967 году на Генеральной конференции по мерам и весам, атом цезия-133 признан стандартом для измерений времени. От точности секунды зависит подлинность других основных единиц физических величин, таких как, например, вольт или ватт, которые определяются через время.
Работают сверхточные часы так: цезий-133 нагревают, и некоторые атомы покидают основное вещество, а затем проходят через магнитное поле, которое отсеивает атомы с нужными энергетическими состояниями. Отобранные атомы проходят через магнитное поле с частотой, близкой к частоте электромагнитного излучения при переходе электрона с одного уровня на другой в цезии-133. Под воздействием поля атомы меняют энергетические состояния и попадают на детектор, который фиксирует момент, когда нужным энергетическим состоянием будет обладать наибольшее количество атомов. Тогда значение частоты электромагнитного поля подается в делитель частоты, определяющий свою единицу посредством деления секунды. Получается "новая секунда", принимаемая за эталон минимальной единицы времени.
Сейчас самыми точными являются часы на основе атомов тория-229, созданные британскими учеными. Исследователи утверждают, что отставать эти часы будут на десятую долю секунды за 14 миллиардов лет!
Существуют и наручные атомные часы, представленные на площадке Kickstarter компанией Bathys Hawaii. В них используется маломощный лазер, нагревающий газообразный цезий-133, атомы которого переходят с одного энергетического уровня на другой. При этих переходах чип фиксирует периоды электромагнитного излучения. Правда, в качестве источника питания используется обычный литий-ионный аккумулятор.
Конечно, необходимость атомных часов в быту можно подвергнуть сомнению. Но они способны значительно повысить синхронизацию времени в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, а также помочь в научных исследованиях.
Неуловимый эталон времени: новый тип сверхточных атомных часов
Поиски идеала это бесконечный поход по пустыне. Мы идем по бескрайнему морю песка, пересекая бархан за барханом, пока палящее солнце медленно, но верно отбирает у нас последние запасы воли и надежды. И вот на горизонте мы видим нечто прекрасное, нечто, что мы так надеялись найти. Но пустыня обманчива и коварна, а образ, увиденный нами, всего лишь мираж. И мы продолжаем идти дальше, пока горячий ветер заметает наши следы, не оставляя возможности вернутся назад. Идеал это мираж, к которому мы постоянно стремимся, и который ускользает от нас, как только мы к нему приближается. Каждый раз когда кто-то создает что-то идеально, оно существует в таком статусе недолго, ибо всегда есть куда расти, всегда есть место для совершенствования. Эта пустыня не имеет конца.
Еще один аспект бытия, который мы по своей наивности считаем подконтрольным нам, это время. Мы его уделяем, коротаем, экономим, измеряем и отсчитываем, но по большей степени мы его теряем. Атомные часы считаются идеальным инструментом измерения времени. Но с каждым новым таким устройством предыдущее теряет свой «эталонный» статус, а идеал, как ему это свойственно, становится на шаг ближе и на два шага дальше.
Сегодня мы познакомимся с исследованием ученых из МТИ (Массачусетский технологический институт, США), в котором они описывают новый тип атомных часов, способных отсчитывать время точнее своих предшественников. Каковы фундаментальные физические принципы, заложенные в данное устройство, как оно работает, и насколько точно в этот ученые отмеряют время? Ответы на эти вопросы ждут нас в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Современные атомные часы основаны на точном обнаружении разницы энергий между двумя атомными уровнями, которая измеряется в единицах квантовой фазы, накопленной за установленный интервал времени. Стабильность часов на оптической решетке (OLC от optical-lattice clock) ограничивается как прерыванием интеррогации («допрос» системы) атомной системы лазером автогенератора* (эффект Дика*; Local Oscillator Induced Instabilities in Trapped Ion Frequency Standards), так и стандартным квантовым пределом* (SQL от standard quantum limit), который возникает из-за квантового шума, связанного с дискретными измерениями.
Автогенератор (local oscillator)* — электронный генератор с самовозбуждением, вырабатывающий электрические (электромагнитные) колебания, которые поддерживаются подачей по цепи положительной обратной связи части переменного напряжения с выхода автогенератора на его вход.
Эффект Дика* — ограничение стабильности частоты пассивного атомного стандарта частоты, когда вспомогательный источник частоты дискретизируется исключительно периодически.
Стандартный квантовый предел (SQL)* — ограничение, накладываемое на точность непрерывного или многократно повторяющегося измерения какой-либо величины, описываемой оператором, который не коммутирует сам с собой в разные моменты времени.
Методы нивелировать эффект Дика уже существуют, однако система, способная работать за пределами SQL за счет создаваемых квантовых корреляций (т.е. за счет запутываний) между атомами, пока что рассматривалась исключительно в теоретическом виде.
В данном труде ученые описывают процесс успешного создания многоатомного запутанного состояния при OLC переходе для демонстрации последовательности Рэмси* с отклонением Аллана* ниже SQL после вычитания шума автогенератора.
Последовательность Рэмси* — простейшая последовательность, показывающая свободную эволюцию кубита во временной области.
Дисперсия Аллана* — мера стабильности частоты различных устройств, в особенности часов и генераторов. Отклонение Аллана (sigma-tau) равно квадратному корню из дисперсии Аллана.
За последние годы был достигнут впечатляющий прогресс в квантовой, атомной и оптической физики, который значительно повысил точность часов на оптической решетке. Технический шум в некоторых OLC был снижен до уровня, близкого или даже ниже уровня собственного квантового шума*.
Квантовый шум* — является аспектом неопределенности физической величины, ввиду ее квантового происхождения.
Часы, работающие с N некоррелированными атомами в течение времени усреднения τ в SQL, могут достичь ограниченной квантовым шумом стабильности, определяемой выражением
где τR — время интеррогации (время Рэмси) атомов лазером; Tc — время тактового цикла; ω0 — угловая частота тактового перехода; ξ 2 w = 1 — параметр Вайнленда для идеальных условий с идеальной подготовкой и детектированием квантового когерентного состояния.
Если часы работают с циклом меньше 1 (Tc > τR), а при этом автогенератор не привязан к атомной эволюции в течение части цикла, то шум Дика σ 2 Dick, который возникает из-за наложения высокочастотного шума автогенератора, следует добавить к уравнению выше. Подавление шума Дика возможно за счет использования двух ансамблей (т.е. двух совокупностей атомов), что позволяет устранить мертвое время, или путем одновременного допроса двух ансамблей.
Изображение №1
SQL, описываемый формулой 1 с ξ 2 w=1, не является фундаментальным пределом и может быть преодолен посредством квантовых корреляций (запутываний) между участвующими атомами. Простейшим запутанным состоянием в данном случае является состояние сжатого спина (SSS от squeezed spin state), в котором квантовый шум перераспределяется между двумя ортогональными квадратурами спина (1d): одна с уменьшенным квантовым шумом (сжатая ось), а другая — с повышенным шумом (анти-сжатая ось). На изображении 1d каждый атом связан со спином 1/2, а ансамбль N-атомов с коллективным спином S0 = N/2.
Ориентируя сжатую квадратуру коллективного спина вдоль фазовой оси во время работы часов, можно уменьшить квантовый шум и повысить стабильность часов. Потенциальный метрологический выигрыш по сравнению с SQL, выраженный в дисперсии, определяется как ξ -2 W, где параметр Вайнленда ξ 2 w = ξ 2 /C 2 включает в себя как уменьшение дисперсии ξ 2 спинового шума и величину среднего вектора спина |⟨S⟩| = CS0.
Как отмечают ученые, за последние годы SSS были использованы в различных системах, таких как атомные конденсаты Бозе – Эйнштейна, холодные атомные ансамбли и захваченные ионы. В нейтральных атомах с помощью оптических методов было продемонстрировано сжатие спина до 20 дБ за пределами SQL. Однако, учитывая, что поддерживать фазовую когерентность на высоких частотах сложнее, все сжатия спина до сих пор включали переходы с частотами ω0 на 5–10 порядков меньше, чем оптические частоты, и переходы, которые демонстрируют пропорционально уменьшенную точность времени.
Основываясь на генерировании сжатия спина между ядерными подуровнями основного электронного состояния 171 Yb, ученые создали SSS на оптическом переходе для OLC, в котором атомная система может обеспечивать чувствительность за пределами SQL.
Результаты исследования
Разработанные часы работают с ансамблем из N = 350 ± 40 атомов 171 Yb, которые заключены в двумерную ловушку на оптической решетке с магической длиной волны* внутри оптического резонатора (1a) высокой точности (F ≈ 12000) и охлаждаются рамановской боковой полосой до среднего колебательного квантового числа ⟨nx⟩ < 0.2.
Магическая длина волны* — длина волны оптической решетки, в которой поляризуемости двух состояний атомных часов имеет одинаковое значение.
Для поддержания надежности SSS в созданных часах, было сгенерировано сжатие спинов между двумя ядерными подуровнями |↑⟩ = | 1 S0, mI = +1/2⟩ и |↓⟩ = | 1 S0, mI = −1/2⟩ основного электронного состояния 1 S0 с использованием взаимодействия между атомами и оптическим резонатором. Затем совокупность |↑⟩ была переведена в возбужденное состояние часов |e⟩ = | 3 P0, mI = 1/2⟩ с помощью π-импульса лазера (1b).
Сжатие спинов между подуровнями основного состояния достигается путем оптической накачки атомов в состояние |↑⟩, создавая при этом CSS между |↑⟩ и |↓⟩ с помощью радиочастотного (RF) π/2 импульса, а затем применения лазерного импульса вблизи перехода |↑⟩ = | 3 P1, mF = 3/2⟩ через резонатор. Взаимодействие атома со светом, усиленное резонатором, аппроксимирует одноосный гамильтониан закручивания с продольным магнитным полем, H1 = β Sx + χ S 2 z.
Затем использовался протокол спинового эха для отмены линейного члена (Sz), так чтобы система развивалась под эффективным одноосным гамильтонианом скручивания H = χ S 2 z в течение времени τs.
Наконец, уменьшенный шум спина можно было ориентировать вдоль любой желаемой оси в многообразии основного состояния <|↓⟩, |↑⟩>, вращая SSS вокруг его среднего направления вращения ⟨S⟩ с помощью другого РЧ-импульса.
Изображение №2
Подготовив SSS в многообразии основного состояния <|↑⟩, |↓⟩>, его картировали на тактовый переход 1 S0 → 3 P0 путем фазового когерентного перевода населенности |↑⟩ в состояние |e⟩ с оптическим π-импульсом автогенератора. На переходе |g⟩ → |e⟩ наблюдался чистый спектр Раби* (2а) и когерентные колебания Раби (2b).
Частота Раби* — частота, которая количественно описывает взаимодействие резонансного излучения с дипольным моментом атома или молекулы.
На графике 2с видно, что запутанность пережила перенос |g⟩ → |e⟩ → |g⟩, что видно по сжатию спинов после этого процесса в многообразии <|↑⟩, |↓⟩>. Сжатый шум падает значительно ниже стандартного квантового предела до уровня ξ 2 = −5.9 дБ +0.6 −0.8.
Изображение №3
На изображении выше показаны измеренные нормированные спиновые шумы ξ 2 и параметр Вайнленда ξ 2 W как функция времени Рэмси на тактовом переходе как для CSS, так и для SSS с его сжатым направлением ориентированным вдоль Sz в спиновом пространстве <|g⟩, |e⟩>.
В этой конфигурации, которая не улучшает тактовые характеристики, но может использоваться для оценки запутанности, фазовый шум автогенератора не влияет на сжатую квадратурную Sz, потому наблюдается, что спиновой шум Sz остается уменьшенным в течение времени до 1 секунды.
В то время как наблюдаемый контраст Рэмси уменьшается из-за фазового шума автогенератора с постоянной времени τLO = 6 мс, внутренняя когерентность атомного состояния (средняя длина вектора спина атома |⟨S⟩|) может быть определена, даже если локальный фазовый шум автогенератора является преобладающим.
Спиновая когерентность ансамбля на тактовом переходе экспоненциально затухает с постоянной времени τens = 0.8 ± 0.2 с как для CSS, так и для SSS. Как показано на изображении №3, после времени опроса около 0.2 с, SSS уже недостаточно запутан, чтобы преодолеть SQL, но он все еще может предложить метрологический выгоду по сравнению с CSS на срок до 0.5 с.
В полностью работающих атомных часах атомная фаза используется для стабилизации фазы автогенератора посредством обратной связи. Следовательно, тактовые характеристики могут быть улучшены за счет использования SSS со сжатой осью, ориентированной вдоль направления фазы, что позволяет измерять разность фаз между атомами и автогенератором с большей стабильностью, чем CSS. Оптимальное время Рэмси, при котором достигается максимальная выгода по сравнению с CSS, определяется из времени когерентности автогенератора τLO и параметра Вайнленда.
Изображение №4
На изображении выше продемонстрирована реализация OLC-последовательности Рэмси с входом запутанного состояния и показано, что атомарная система обеспечивает стабильность за пределами SQL.
На графике 4а показано, что «сжатые» часы, хоть и не работают за пределами своего SQL из-за фазового шума автогенератора, имеют отклонение Аллана на 3 дБ ниже, чем у тех, что работаю с CSS.
Фазовый шум автогенератора ΔϕLO в данной системе возникает в основном из-за изменения частоты от последовательности к последовательности Δω/(2π) = 78 ± 3 Гц (т.е. ΔϕLO = τRΔω), и измеряется с помощью последовательность S2 с большим временем Рэмси. Затем можно удалить ΔϕLO из отклонения Аллана данных S1, чтобы получить внутреннюю стабильность системы атомных часов, работающей с SSS во времеми Рэмси τS1 (красные точки на 4c).
Далее ученые проверили работу часов на базе CSS в тех же условиях, но с полностью удаленным шумом автогенератора (синие точки на 4с). Запутанная атомная система демонстрирует стабильность, которая на 4.4 +0.6 –0.4 дБ ниже SQL и на 5.7 дБ ниже CSS, учитывая, что последний также подвержен несовершенному обнаружению состояния и потере контраста.
В совокупности данные результаты показывают успешность создания сжатия спинов ансамбля атомов между атомными уровнями, энергии которых различаются в масштабе оптических фотонов. Сжатие было использовано для демонстрации последовательности оптических часов, в которой запутанность обеспечивает стабильность в атомной системе за пределами стандартного квантового ограничения.
Для более детального ознакомления с нюансами рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В данном труде ученые разработали новый тип атомных часов, основой которого стали атомы иттербия. Атомы были охлаждены и захвачены в оптическом резонаторе с помощью двух зеркал. Затем через резонатор пропускали лазерный луч, который отскакивал от зеркал, тем самым многократно взаимодействуя с захваченными атомами. За счет этого достигалась квантовая запутанность атомов. После этого использовался еще один лазерный импульс для измерения их средней частоты. Применение запутывания для часов на оптической решетке повышает их точность примерно в четыре раза, по сравнению с теми, что работают по классической схеме.
Авторы исследования заявляют, первый атом, который взаимодействует с лазерным излучением, изменяет его, затем это измененное излучение меняет второй атом, затем третий атом и т.д. Спустя множество циклов взаимодействия атомы начинают вести себя одинаково, что и является их запутанностью.
Достижение высокой точности требует большего времени для процесса измерения. Этот принцип касается и атомных часов. Если такие устройства объединить с атомной запутанностью, то они смогут значительно быстрее и точнее определять время. Более точные атомные часы позволяют расширить спектр возможностей в аспекте изучения Вселенной, в том числе темной материи и гравитационных волн.
Вполне очевидно, чем лучше инструмент, тем лучше результат работы. Однако не стоит забывать и о том, кто этим инструментом пользуется, и кто его создает. Подобные труды, в которых описываются новые устройства и системы, облегчающие исследования как таковые, лишний раз говорят о невероятной силе интеллекта тех, кто ими занимается.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Читайте также: