В этой статье представлена расшифровка первой части подкаста "Атомные часы: как успеть все до нового года". В ней специалисты в области квантовой метрологии Черепанов Павел и Тричев Константин обсудили размеры атомных часов и химические элементы, которые в них используются.
Какие химические элементы обычно используются в атомных часах?
Совершенно разные. В описанных выше оптических часах может быть стронций, например. Торий, к примеру, достаточно перспективный стандарт для ядерных часов. Он используется также в и оптических, потому что интересующий нас переход лежит в ближнем ультрафиолетовом диапазоне, который примыкает к оптическому. В спектре границы размыты, поэтому его можно считать оптическим. В качестве эталонов зачастую используется как раз цезий, но можно придумать часы на алюминии, рубидии иттербии, тулии – совершенно разных элементах.
Можно выбрать любой элемент таблицы Менделеева?
Нет, только те, у которых теоретически посчитаны переходы. Важно уточнить, что за основу выбирают не элемент, а лазеры, имеющиеся в лаборатории, чтобы взаимодействовать с этими электронными уровнями. Если в распоряжении нет лазера определенной частоты, чтобы попадать в эти электронные переходы, то никого эксперимента не будет, как и часов.
Внутренняя структура атомных уровней с достаточно хорошей точностью может быть посчитана, что дает знание о частоте перехода и его ширине –допуске, в который мы можем пытаться попасть. Нам подойдет не одна конкретная частота, а число с некоторой окрестностью, которой и является ширина перехода. На основании этих расчетов и выстраивается работа. Естественно, когда теоретики строят модель перехода, нередко потом экспериментаторы мучаются, потому что повторить эту же модель в реальности не получается в силу определенных причин. Это совершенно колоссальная масса факторов, которые мешают и технически, например, охлаждать, и теоретически – писать переход.
Сейчас эталоном является цезий. Вы упомянули торий как перспективный, чем он лучше?
Торий перспективен тем, что он оптический и ядерный. Это сочетание увеличит точность в 10000 раз. Сейчас самые точные часы работают на стронции, их точность составляет 10⁻¹⁸, а оценочная погрешность –1 секунда на 15 миллиардов. Торий будет еще в сто раз точнее, чем самое точное, что у нас есть сейчас.
Какого размера часы могут быть? Можно ли из них сделать, к примеру, наручные?
Это зависит от проектировки. Допустим, часы на стронции имеют характерный размер оптического стола: где-то полтора на два метра. Этот стол будет плотно забит оптической системой, лазерами, самой установкой, вакуумной камерой и различными насосами, которые откачивают вакуум, прочими электронными приборами, которые могут использоваться.
Если говорить про цезиевый фонтан, то эта установка очень больших размеров: примерно два-три метра в высоту и комната по площади (4х5 метра). В такой комнате необходимо учесть дополнительные системы. Например, чтобы проезжающие машины не создавали шум, делают развязанный фундамент. Это специальная система, которая имеет зазор с остальным фундаментом здания. Так машина будет задевать основной фундамент здания, а развязанную область – нет.
Получается, что лабораторные часы создаются такими большими ради отличной точности. Можно ей пожертвовать, например, сделать часы в 100 раз менее точными, чем есть, но при этом их можно будет использовать как портативную установку.
Я слышал о существовании таких часов размером со спичечный коробок, правда ли это?
Это так называемые часы на эффекте КПН (когерентного пленения населенностей). Если описывать его кратко, то посветив определенным излучением, мы можем просветлить среду. Изначально она поглощает излучение, а при попадании под излучение определенной частоты, среда для него становится полностью прозрачной. Это происходит из-за когерентного пленения населенности: электроны поглощают внешнее излучение и переходят на определенный энергетический уровень, с которого взаимодействие с падающим излучением невозможно. Таким образом, излучение проходит насквозь, другими словами, вещество для него становится прозрачным.
Часы действительно можно сделать достаточно маленькими, их точность и стабильность будут хуже, в отличие от ранее описанных часов, но часы на эффекте КПН можно будет встроить в достаточно компактное устройство. Например, установить в беспилотник или в лодку, этого будет достаточно для так называемой инерциальной навигации. Это означает, что навигация происходит не по GPS (Американская система глобального позиционирования, англ. Global Positioning System), а по начальным координатам тела, точному знанию скорости и ускорения в любой момент времени, точному подсчету этого времени. Так объект может знать свое местоположение, в том числе благодаря подобным часам, которые точно считают время.
Записала: Деримедведь Д.
Читайте другие части (часть I, часть III, часть IV) в нашем блоге, слушайте этот и другие подкасты на ЯндексМузыке, во ВКонтакте или на удобной Вам платформе.
#инженерный_подкаст
#все_ответы_в_науке_МИФИ
#десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки