60 лет назад первые атомные часы поступили в продажу

Dr. J.R. Zacharias (слева) - ключевая фигура в развитии Atomichron.
H. C. Guterman ( в центре). и J. H. Quick (справа),
председатель и президент Национальной компании.
Вид трубки атомного пучка.

Вид спереди Atomichron
высота 7 футов,
вес около 500 фунтов.
Цена прибора $ 50000

3 октября 1956 года ученые в Нью-Йорке продемонстрировали публике первые в мире атомные часы для коммерческой продажи — «Atomichron». От обычных хронометров такие приборы отличаются тем, что колебания в них происходят не механически, за счет колесиков, а в ядре атома и между окружающими его электронами.

В природе у любого атома есть характерная частота колебаний. Ее определяет масса атомного ядра, гравитация и электростатическая «пружина» между облаком электронов и положительным зарядом ядра. Это делает атомные часы самым точным прибором для измерения времени, который только существует в мире. Сегодня лучшие атомные часы теряют всего одну секунду за пять миллиардов лет. Без таких аппаратов не существовало бы ни GPS-навигации, ни возможности синхронизировать работу интернета и управлять космическими зондами и спутниками вдали от Земли.

Часы состоят из нескольких частей:

• квантовый дискриминатор,
• кварцевый генератор,
• комплекс электроники.

Кварцевый генератор представляет собой автогенератор, в качестве резонансного элемента которого используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла. Генерируемые им электромагнитные колебания имеют фиксированную частоту, равную, как правило, 10 МГц, 5 МГц или 2,5 МГц, с возможностью перестройки в небольших пределах (±10^-6, например, изменением температуры кристалла). Обычно долговременная стабильность кварцевого резонатора мала и составляет около Δν/ν=10^-7. С целью повышения его стабильности используют колебания атомов или молекул, для чего колебания кварцевого генератора с частотой ν_o постоянно сравниваются c помощью частотно-фазового компаратора с частотой атомной линии ν_α, регистрируемой в квантовом дискриминаторе. При появлении разницы в фазе и частоте колебаний схема обратной связи подстраивает частоту кварцевого генератора до требуемого значения, повышая тем самым стабильность и точность часов до Δν/ν=10^-14.

Схема сверхтонких уровней перехода атомов изотопа ¹³³Cs

Чаще всего, атомные часы работают на основе пучков атомов ¹³³Cs. Это единственный стабильный изотоп химического элемента цезия, который в состоянии простого вещества представляет собой мягкий щелочной металл. Атомные часы не радиоактивны, поскольку не полагаются на атомный распад. Эти приборы работают благодаря магнитному полю, которое позволяет правильно распределить атомы, детекторам и микроволновым частотам.

Рост точности атомных часов за период 50 лет. NIST, США

Впервые попытка практической реализации атомных часов была предпринята в тридцатые годы прошлого столетия учёными Колумбийского университета под руководством будущего нобелевского лауреата доктора Айсидора Раби. В качестве вещества - источника атомов-маятников Раби предложил использовать изотоп цезия ¹³³Cs. К сожалению, работы Раби, очень заинтересовавшие NBS, были прерваны Второй мировой войной.

1945 - профессор физики Колумбийского университета Айсидор Раби предлагает часы, которые могут быть сделаны по методике разработанной им в 1930-х - так называемый атомный пучок магнитного резонанса.

1949 - Первенство реализации атомного хронографа перешло к сотруднику NBS Гарольду Лайонсу. Используя метод Раби, NIST (тогда Национальное бюро стандартов) объявляет первые в мире атомные часы. Этот атомный осциллятор работал на аммиаке и давал погрешность, соизмеримую с лучшими образцами кварцевых резонаторов. В 1949 году аммиачные атомные часы были продемонстрированы широкой публике. Несмотря на довольно посредственную точность, в них были реализованы основные принципы будущих поколений атомных хронографов.

Чуть позже профессор Гарвардского университета Норман Рэмси усовершенствовал идеи Айсидора Раби, снизив влияние на точность измерений допплеровского эффекта. Он предложил вместо одного длительного высокочастотного импульса, возбуждающего атомы, использовать два коротких, посланных в плечи волновода на некотором расстоянии друг от друга. Это позволило резко снизить резонансную ширину и фактически сделало возможным создание атомных осцилляторов, на порядок превосходящих по точности своих кварцевых предков.

1952 - NIST завершает первое точное измерение тактовой частоты резонанса цезия. Устройство для этого измерения назвали NBS-1.

1954 - NBS-1 перемещается в новые лаборатории NIST в г. Боулдер, штат Колорадо.

1955 г. Д-р Чарльз Таунс (Charles Townes) демонстрирует
первые атомные часы со студенткой Марианной МакДональд.
Его изобретение мазера позволило более точное измерение времени,
который мог бы разделить секунду точно на 24 миллиарда частей.

1955 - Луи Эссен, сотрудник Национальной физической лаборатории (Великобритания), на основе схемы, предложенной Норманом Рамзеем, строит первые часы на излучении основе предложенного ранее Раби изотопа цезия ¹³³Cs, используемом в качестве калибровочного источника. Чтобы прототип Эссена стал настоящим стандартом, потребовалось более четырёх лет. Ведь точная настройка атомных часов была возможна только путём сравнения с существующими эфемеридными единицами времени. В течение четырёх лет атомный осциллятор калибровался с помощью наблюдений за вращением Луны вокруг Земли с помощью точнейшей лунной камеры, изобретённой сотрудником Военно-морской обсерватории США Уильямом Марковицем. "Подгонка" атомных часов по лунным эфемеридам велась с 1955 по 1958 год, после чего устройство было официально признано NBS в качестве стандарта частоты.

1958 - Коммерческие цезиевые часы становятся доступными - стоимость 20 000 $ каждые.

NBS-1

1959 - Устройство Луи Эссена получило наименование NBS-1 и стало считаться первым цезиевым стандартом частоты.

1960 - NBS-2 был введенны в г. Боулдер; они могут работать в течение длительного времени без присмотра и использоваться для калибровки вторичных эталонов.

1963 - В погоне за точностью и стабильностью результатов изобретены часы NBS-3.

1967 - XIII Генеральная конференция по мерам и весам определяет секунду на основе колебаний в атоме цезия; всемирная система хронометража уже не базируется на астрономических измерениях. Согласно же новому определению, атом ¹³³Cs является стандартом для измерений времени и частоты. Международная система единиц СИ определяет 1 секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома ¹³³Cs. До того момента в мировой системе измерения времени не существовало ни одного столь же точного определения. Точность определения секунды определяет точность определения других основных единиц, таких как, например, вольт или метр, содержащих секунду в своём определении.

1968 - NBS-4, наиболее стабильные цезиевые часы в мире, завершен. Эти часы были использованы в 1990-х годах как часть системы времени NIST.

1972 - NBS-5, усовершенствованный прибор на излучении цезия, завершен, и служит в качестве первичного стандарта.

1975 - NBS-6 начинает операцию; как отпрыск NBS-5, они являются одними из самых точных атомных часов в мире с погрешностью 1 секунда в 300000 лет.

1989 - Нобелевская премия по физике присуждена трем исследователям - Норману Фостеру Рамзею из Гарвардского университета, Хансу Георгу Демельту из Университета штата Вашингтон и Вольфгангу Паулю из Боннского университета - за их работу по разработке атомных часов. Работа NIST приводится в качестве продвижения их раних исследований.

NIST-7

1993 - Потомок NBS-1 - осциллятор NIST-7, используя лазерную накачку луча атомов цезия, достигает неопределенности 5 × 10^-15, или в 20 раз более точной, чем NBS-6.

1999 - NIST-F1 начинает работать с погрешностью 1,7 × 10^-15 или точностью до одной секунды в 20 миллионов лет, что делает их одними из самых точных часов когда-либо сделанных (по сравнению с аналогичными стандартами во Франции и Германии ).

Атомные часы HP5061A компании Hewlett Packard,
использованные в эксперименте Hafele-Keating
"летающие часы" в 1971 г.,
для проверки теории относительности

Устройства NBS являются стационарными стендами, что позволяет отнести их скорее к эталонам, чем к практически используемым осцилляторам. А вот для сугубо практических целей на благо цезиевого стандарта частоты поработала компания Hewlett-Packard. В 1964 году будущий компьютерный гигант создал компактный вариант цезиевого стандарта частоты - устройство HP 5060A. Откалиброванные с использованием эталонов NBS, частотные стандарты HP 5060 умещались в типовую стойку радиооборудования и имели коммерческий успех. Именно благодаря цезиевому стандарту частоты, заданному в Hewlett-Packard, беспрецедентная точность атомных часов пошла в широкие массы.

В результате стали возможны такие вещи, как спутниковое телевидение и связь, глобальные системы навигации и службы синхронизации времени информационных сетей. Применений доведённой до промышленного образца технологии атомного хронографа нашлось много. При этом в Hewlett-Packard не останавливались на достигнутом и постоянно улучшают качество цезиевых стандартов и их массо-габаритные показатели. В 2005 году подразделение Hewlett-Packard, отвечающее за разработку атомных часов, было продано компании Simmetricom.

Тем не менее, сегодня самый точный атомный хронометр на Земле работает на основе стронция, а не цезия. Также существуют иттербиевые часы, которые, правда, измеряют время в два раза хуже, чем стронциевые приборы. Аппараты на основе стронция и иттербия могут работать на частотах оптического диапазона, что дает им преимущество по сравнению с цезиевыми часами, которые ограничены микроволновым диапазоном. Ученые уже рассматривают вопрос о пересмотре мирового стандарта, который позволит поменять цезий на стронций и еще больше уточнить продолжительность секунды.

Не всякий атом (молекула) подходит в качестве дискриминатора для атомных часов. Выбирают атомы, которые нечувствительны к различным внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. В каждом диапазоне электромагнитного спектра излучения имеются такие атомы. Это: атомы кальция, рубидия, цезия, стронция, молекулы водорода, йода, метана, оксид осмия(VIII) и т. д. В качестве основного (первичного) стандарта частоты выбран сверхтонкий переход атома цезия. Характеристики всех остальных (вторичных) стандартов сравниваются с этим стандартом. Для того, чтобы осуществить такое сравнение, в настоящее время используются так называемые оптические гребёнки — излучение с широким частотным спектром в виде эквидистантных линий, расстояние между которыми привязывается к атомному стандарту частоты. Оптические гребёнки получают с помощью фемтосекундного лазера с синхронизацией мод и микроструктурированного оптоволокна, в котором происходит уширение спектра до одной октавы.

В 2006 году исследователи из американского Национального института стандартов и технологий под руководством Джима Бергквиста разработали часы, действующие на одном атоме ртути. При переходах между энергетическими уровнями иона ртути генерируются фотоны видимого диапазона со стабильностью в 5 раз выше, чем микроволновое излучение ¹³³Cs. Новые часы могут также найти применение в исследованиях зависимости изменения фундаментальных физических постоянных от времени. По состоянию на апрель 2015 года самыми точными атомными часами являлись часы, созданные в Национальном институте стандартов и технологий США. Погрешность составила лишь одну секунду в 15 миллиардов лет. В качестве одного из возможных применений часов указывалась релятивистская геодезия, основная идея которой — использование сети часов в качестве гравитационных датчиков, что поможет провести невероятно детальное трёхмерное измерение формы Земли.

Миниатюрные цезиевые атомные часы (2011)

Ведутся активные разработки компактных атомных часов для использования в повседневной жизни (наручные часы, мобильные устройства). В начале 2011 американская компания Symmetricom объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов размером с небольшую микросхему. Часы работают на основе эффекта когерентного пленения населенности. Их стабильность — 5 × 10^-11 за час, масса — 35 г, потребляемая мощность — 115 мВт.

Американская часовая компания Bathys Hawaii представила первые наручные часы с атомным источником точного времени Cesium 133 (атом цезия-133 используется в качестве стандарта). Работа часов запечатлена в видеоролике, который компания разместила на YouTube. Описание часового механизма приводит ablogtowatch.com. Часы размером 60х50х23 миллиметра обеспечивают точность хода с максимальным отклонением в одну секунду на тысячу лет (точность частоты атомного источника — 5х10-11). Серийную модель создатели часов оценили в 12 тысяч долларов за штуку. В основе часового механизма находится компактная микросхема SA.45s компании Symmetricom, внутри которой расположена капсула с газообразным цезием-133, лазер и фоточувствительные элементы. Электронный блок прибора фиксирует периоды электромагнитного излучения при переходе между уровнями основного состояния атомов нагретого лазером газа.

Атомные «наручные» часы на базе стандарта времени HP 5071A

В мае 2013 года британская компания Hoptroff анонсировала первые карманные атомные часы, которые должны были поместиться в круглом корпусе диаметром 82 миллиметра. В основе часов предполагалось использовать аналогичную микросхему Symmetricom. Удалось ли выпустить эти часы, не сообщается. Стоит отметить, что в настоящее время уже существуют модели наручных часов, которые показывают время с точностью атомного источника. В этих так называемых «радиочасах» сигналы точного времени принимаются по беспроводной связи от системы передающих базовых станций с атомными часами.

Aerospace Cold Atom Clock

В настоящее время атомные часы на основе цезиевых фонтанов* дают человечеству точнейший эталон времени, относительно которого бьётся пульс нашей техногенной цивилизации. Благодаря инженерным ухищрениям импульсные водородные мазеры, которые охлаждают атомы цезия в стационарных вариантах NIST-F1 и NIST-F2, были заменены на обычный лазерный луч, работающий в паре с магнитооптической системой. Это позволило создать компактные и очень устойчивые ко внешним воздействиям варианты стандартов NIST-Fx, способные трудиться в космических аппаратах. Весьма образно названные "Aerospace Cold Atom Clock", эти стандарты частоты установлены в спутниках таких навигационных систем, как GPS, что и обеспечивает их потрясающую синхронизацию для решения задачи очень точного вычисления координат приёмников GPS, используемых в наших гаджетах. Вычисление эталонного времени выполняется "ансамблем" из десяти NIST-F2, расположенных в различных исследовательских центрах, сотрудничающих с NBS. Точное значение атомной секунды получается коллегиально, и тем самым устраняются различные погрешности и влияние человеческого фактора.

*Фонтаны времени и оптическая патока
Несмотря на высочайшую точность атомного хронометра NIST-7, использующего лазерное детектирование состояния атомов цезия, его схема принципиально не отличается от схем первых вариантов цезиевых стандартов частоты.
А конструктивным недостатком всех этих схем является то, что контролировать скорость распространения луча из атомов цезия, двигающихся в волноводе, принципиально невозможно. И это при том, что скорость движения атомов цезия при комнатной температуре - сто метров в секунду. Весьма быстро.
Именно поэтому все модификации цезиевых стандартов - это поиск баланса между размерами волновода, успевающего воздействовать на быстрые атомы цезия в двух точках, и точностью детектирования результатов этого воздействия. Чем меньше волновод, тем труднее успеть сделать последовательные электромагнитные импульсы, воздействующие на одни и те же атомы.
А что если найти способ снизить скорость движения атомов цезия? Именно этой мыслью озаботился студент Масачуссетского технологического института Джеролд Захариус, изучавший в конце сороковых годов прошлого столетия влияние силы тяжести на поведение атомов. Позднее, привлечённый к разработке варианта цезиевого стандарта частоты Atomichron, Захариус предложил идею цезиевого фонтана - способа, позволяющего снизить скорость движения атомов цезия до одного сантиметра в секунду и избавиться от двухколенного волновода традиционных атомных осцилляторов.
Идея Захариуса была проста. Что если запускать атомы цезия внутри осциллятора вертикально? Тогда одни и те же атомы будут дважды проходить через детектор: первый раз при путешествии вверх, а второй - вниз, куда они устремятся под действием силы тяжести. При этом движение атомов вниз будет существенно медленнее их взлёта, ведь за время путешествия в фонтане они подрастеряют энергию. К сожалению, в пятидесятые годы прошлого столетия реализовать свои идеи Захариус не смог. В его экспериментальных установках атомы, двигавшиеся вверх, взаимодействовали с падающими вниз, что сбивало точность детектирования.
К идее Захариуса вернулись только в восьмидесятые годы. Учёные Стенфордского университета под руководством Стивена Чу нашли способ реализации фонтана Захариуса с использованием метода, названного ими "оптическая патока".
В цезиевом фонтане Чу облако атомов цезия, выстреливаемых вверх, предварительно охлаждается системой из трёх пар противоположно направленных лазеров, имеющих резонансную частоту чуть ниже оптического резонанса атомов цезия.

Схема цезиевого фонтана с оптической патокой.

Охлаждённые лазерами атомы цезия начинают двигаться медленно, словно сквозь патоку. Их скорость падает до трёх метров в секунду. Уменьшение скорости атомов даёт исследователям возможность более точного детектирования состояния (согласитесь, значительно проще рассмотреть номера машины, двигающейся со скоростью один километр в час, чем машины, двигающейся со скоростью сто километров в час).
Шар из охлаждённых атомов цезия запускается вверх примерно на метр, по пути проходя волновод, через который на атомы воздействует электромагнитное поле резонансной частоты. И детектор системы фиксирует изменение состояния атомов в первый раз. Достигнув "потолка", охлаждённые атомы начинают падать благодаря силе тяжести и проходят волновод во второй раз. На обратном пути детектор снова фиксирует их состояние. Поскольку атомы двигаются чрезвычайно медленно, их полёт в виде достаточно плотного облака легко контролировать, а значит, в фонтане не будет одновременно летящих вверх и вниз атомов.
Установка Чу на основе цезиевого фонтана была принята NBS в качестве стандарта частоты в 1998 году и получила название NIST-F1. Её погрешность составляла 4 × 10^-16, а значит, NIST-F1 была точнее предшественника NIST-7.
Фактически в NIST-F1 был достигнут предел точности измерений состояния атомов цезия. Но учёные на этой победе не остановились. Они решили устранить погрешность, которую вносит в работу атомных часов излучение абсолютно чёрного тела - результат взаимодействия атомов цезия с тепловым излучением корпуса установки, в которой они двигаются. В новом атомном хронографе NIST-F2 цезиевый фонтан размещался в криогенной камере, сводя излучение абсолютно чёрного тела практически к нулю. Погрешность NIST-F2 равна невероятной величине 3 × 10^-17.

Компьютерра. "Стрелы времени: как устроены атомные часы"

В 2015 году физики из Национального института стандартов и технологий США создали новую модификацию атомных часов на основе стронция. Она позволяет добиться рекордной стабильности и точности: погрешность составит лишь одну секунду в 15 миллиардов лет (к слову, примерно таков нынешний возраст Вселенной). Такая безумная, на первый взгляд, точность хронометража имеет большое значение для современных средств связи, технологий позиционирования (например, для GPS) и многих других технологий. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио. Помимо этого такие часы могут служить для разработки чувствительного высотомера, который будет ориентироваться на изменения в силе тяжести (меняется с высотой), и для экспериментов, которые исследуют квантовые корреляции между атомами. Часы JILA в настоящее время достаточно хороши, чтобы измерить крошечные изменения в течении времени и силы тяжести на нескольких различных высотах. Эйнштейн предсказывал подобные эффекты в своей теории относительности, в частности и то, что часы идут быстрее на более высоких отметках. Многие учёные уже продемонстрировали это, но с помощью менее чувствительных методов. "Наша разработка позволяет измерять гравитационное смещение в случае изменения высоты всего на 2 сантиметра над поверхностью Земли, – рассказывает сотрудник института JILA Цзюнь Е (Jun Ye). – Я думаю, что подобное устройство будет полезно даже для релятивистской геодезии, основная идея которой — использование сети часов в качестве гравитационных датчиков, что поможет провести невероятно детальное трёхмерное измерение формы Земли. Часы, способные обнаружить гравитационное смещение при различии в высоту всего в 1 сантиметр, могут быть использованы для геодезических измерений наряду с обычными технологиями — приливомерами и гравиметрами". В часах JILA несколько тысяч атомов стронция располагаются в оптической ловушке в виде колонны размером 30 на 30 микрометров в 400 похожих на блины фигурах. Оптическая ловушка создаётся при помощи мощных лазерных лучей. Исследователи обнаружили "тики" (колебания) атомов стронция (430 триллионов в секунду) при нахождении в очень стабильном свете красного лазера на тех частотах, которые приводят к "переключениям" между энергетическими уровнями. Группа JILA провела последние усовершенствования с помощью специалистов Национального института стандартов и технологий США и Объединённого квантового института. Вместе они смогли улучшить измерения и расчёты, минимизировав ошибки измерения времени, связанные с тепловым воздействием окружающей среды (излучение абсолютно чёрного тела). Электрическое поле, связанное с излучением чёрного тела, изменяет реакцию атомов лазерного света, тем самым добавляя неконтролируемые неопределённости в измерения.
Чтобы измерять и поддерживать необходимые температурные условия на одном уровне, физики откалибровали два платиновых термометра сопротивления. Они затем были установлены в вакуумной камере часов. Исследователи также сконструировали экран для защиты от радиации, который окружает атомную камеру. Он позволил часам работать при комнатной температуре, а не в криогенных условиях, как это было раньше. "Данная модификация работает при нормальной комнатной температуре, что является одной из самых сильных сторон нашего подхода", – отмечает Цзюнь Е.

15 сентября этого года в 22 часа 4 минуты (17.04 мск) с космодрома Цзюцюань в провинции Ганьсу (Внутренняя Монголия) Китай запустил космическую лабораторию Tiangong-2, на борту которой находятся холодные атомные часы Cacs. Холодные атомные часы более точные, чем обычные - или "горячие" - атомные часы, поскольку в них используется лазер. Он замедляет движение атома со скоростью от нескольких сотен метров до одного сантиметра в секунду. Китайские часы используют атомы рубидия, а не цезия. Это обеспечивает их устойчивость и надёжность. Погрешность часов составляет всего одну секунду в миллиард лет. По сравнению с часами в спутниках GPS на орбите точность Cacs выше в 1000 раз. К тому же, американские часы - это большая, тяжелая машина, более 2,5 метров в высоту, которые занимает целую комнату. В противоположность этому, холодные атомные часы Cacs могут легко поднять два человека и разместить в багажнике автомобиля. Китайское издание Тhe South China Morning Post отмечает, что данный проект должен продемонстрировать, что Пекин выходит на передовые позиции в космических технолологиях. Это будет 1-ый опыт подобного рода. Размещение атомных часов в космосе обсуждалось в европейских странах еще несколько десятков лет назад. По мнению профессора Сюй Чжэнь, участвующего в разработке Cacs, холодные часы позволят улучшить качество работы спутниковой навигационной сети Китая Beidou и станут эталоном времени.

и тут ... BSOD!!!

Однако не исключено, что однажды цезиевый стандарт частоты будет восприниматься нашими потомками как весьма грубый механизм измерения времени, подобно тому, как ныне мы снисходительно смотрим на движения маятника в механических напольных часах наших предков.