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 рассказали о строении атомных часов и их особенностях.
Что такое атомные часы и на чем они работают?
Любые часы, в том числе и атомные, используют в своей основе для определения единиц времени некоторый периодический процесс. Солнечные часы используют восход и закат Солнца: суточное вращение Земли. Такое измерение не особо точное, потому что Земля вращается с разной скоростью в зависимости от различных факторов. В свою очередь, механические часы используют различные маятники, например, маятник с кукушкой, где в качестве частоты берется количество колебаний кукушки, допустим, за минуту. Как пример, кварцевые часы используют в качестве периодического процесса колебания кристалла кварца. Ну и, наконец, атомные часы используют излучение атомов как периодический процесс, потому что излучение –это волна, и она по определению имеет характерный период.
Атомные часы – это квантовый прибор, с помощью которого можно достаточно точно измерять время. Принцип действия подобных часов заключается в следующем: есть среда, выступающая в роли резонатора, в которой находятся атомы, ионы либо какие-то частицы. Используя, например, лазерное излучение, мы взаимодействуем с этими частицами, вызывая у них переходы из одного состояния в другое. Известно, что электроны поглощают лазерное излучение на определенных атомных уровнях и спустя некоторое время (его называют временем жизни) начинают переиспускать излучение. Оно детектируется, и на основании его частоты формируется некоторый сигнал ошибки – отклонение от эталонного значения. Этот сигнал в свою очередь подается на вход лазера в качестве обратной связи для корректировки частоты его излучения. Так можно более точно определить частоту лазерного излучения и в дальнейшем использовать ее как реперную точку – исходную точку для построения шкалы измерений величины, в данном случае частоты. Полученную частоту мы можем уже использовать в задачах разного рода, в том числе и для определения временных параметров за счет неразрывной связи частоты колебаний и их периода.
А почему они считаются самыми точными?
Так совпало. Если не сильно усложнять, нас фактически интересуют отношение погрешности частоты к ее абсолютному значению, и у атомных часов это отношение получается наиболее маленьким, за счет чего они не очень сильно «убегают». Если механические часы дают погрешность 20-40 секунд в сутки, то лучшие атомные дают одну секунду на миллиарды лет. Просто природа так устроена, другого ответа, пожалуй, я дать не могу.
Возможно ли будущем найти в природе что-то еще более точное?
Более точными в обозримом будущем станут квантовые часы. Или, например, ядерные часы, где уже в качестве элементарного периодического процесса используется не излучение самого атома при переходе электрона с верхнего уровня на нижний, а излучение ядра атома при его аналогичном переходе. Помимо этого, существуют запутанные часы, работающие также на переходах электронов в атомах, но в них используется эффект квантовой запутанности, который довольно сильно помогает подавить шумы.
Как технологически устроены атомные часы?
В большинстве случаев в центре атомных часов лежит вакуумная камера. Это среда, в которой имеется сверхвысокий вакуум, чтобы любые частицы внутри установки не взаимодействовали с молекулами остаточного газа и не исчезали упругих или неупругих соударений. В любых таких установках имеется область пространства («сердце часов»), в которой локализованы частицы, с которыми мы работаем. Если, говорить про работу с ионами, то скорее всего будут использоваться квадрупольные ловушки Пауля, потому что они заточены для работы с заряженными частицами. Если мы работаем с атомами, в этом случае прибегают к магнитным, оптическим или магнитооптическим ловушкам, потому что в них нет заряда и эти частицы достаточно хорошо удерживаются магнитными полями.
Таким образом, на первом этапе у нас есть хорошая система с высоким вакуумом, внутри нее есть область, где можно захватывать и удерживать эти частицы в течение длительного периода времени. Также имеется лазерная система, которая подготавливает эти частицы, чтобы они максимально стали ограниченными в этой области. Для этого их охлаждают за счет взаимодействия лазерного излучения с веществом: с ионами или с атомами. При взаимодействии частицы начинают терять свою энергию из-за переизлучения большей ее части и почти застывают в какой-то определенной области пространства.
С каждым актом взаимодействия частицы замедляются до какого-то определенного момента, который теоретически высчитан, например, чистому взаимодействию соответствует температура Доплера (в данном случае имеется в виду температура как мера энергии, присущей телу). Когда частицы подготовлены, максимально охлаждены до какого-то момента, можно приступать сканированию какого-то перехода, который мы выбрали часовым, за счет того, что у него есть какие-то уникальные свойства. Это может быть запрещенный переход, в том смысле, что вероятность перехода электронов с этого уровня на какой-то другой верхний крайне мала, другими словами, это очень узкий переход. Под шириной перехода подразумевается погрешность частоты, максимальное отклонение ее экспериментального значения относительно эталонного. Как правило, в качестве часовых переходов выбирается минимальное отношение этой погрешности к ее абсолютному значению.
Ловушечные часы, описанные выше, являются довольно современным объектом среди атомных часов. Как первичный государственный стандарт времени используются несколько более примитивные конструкции: цезиевые часы. В них охлаждение присутствует, но удержание на одном месте не применяется. Наоборот, облачко атомов аккуратно охлаждают и подкидывают вверх, и дальше они взаимодействуют с некоторым излучением дважды. Двойное взаимодействие позволяет увеличить точность, по его прошествии регистрируется количество атомов, которые «запрыгнули» на верхний уровень энергии, и количество, которое на нижнем уровне осталось. Такой процесс называется цезиевым фонтаном. В этом случае никакой ловушечности нет: ничего не нужно локализовать, но охлаждать, тем не менее, все равно нужно, потому что горячие атомы плохи для того, чтобы по ним время определять.
А как превратить зафиксированное излучение в часы?
Частота – это количество актов некоторого процесса за единицу времени. Другими словами, эти две величины связаны обратно пропорциональной зависимостью, следовательно, если известна частота, то мы можем найти период времени, взяв обратное отношение. Это делается разными способами, обычно используются крайне непростые электронные системы, чтобы фактически запитывать внешний генератор, у которого будет некоторый циферблат, показывающий время. Прежде всего в часах используется аналог маятника, в данном случае система: если вещество светится, значит мы четко попадаем в заданный диапазон нашим излучением и можем быть уверены в его частоте. В противном случае – где-то была допущена ошибка.
Записала: Деримедведь Д.
Читайте другие части (часть II, 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