Благодаря методу синтетической частоты, созданному сотрудниками Института лазерной физики СО РАН совместно с Национальным институтом метрологии Германии и Ганноверским университетом им. Лейбница, удастся значительно уменьшить погрешность атомных часов при нормальных условиях окружающей среды. Статья о работе была опубликована в New Journal of Physics
Атомные часы 
Измерение времени — одна из древнейших проблем, решение которой продолжается на протяжении всей истории человечества. С развитием науки и техники задачи людей менялись, и если раньше применение часов сводилось в основном к разделению суток на интервалы, то сегодня они необходимы для работы любого электронного оборудования. Во многих устройствах до сих пор используются кварцевые генераторы, позволяющие достигать нестабильности на уровне 10-10, однако для актуальных потребностей этого уже недостаточно. Улучшить показатели точности на несколько порядков можно, применяя атомные стандарты частоты.  

 
По словам главного научного сотрудника Института лазерной физики СО РАН доктора физико-математических наук Валерия Ивановича Юдина, в современном понимании часы представляют собой стабилизированную синусоиду, сопровождаемую счетчиком периодов колебаний. Их погрешность зависит от влияния множества факторов, таких как гравитационные, магнитные, электрические поля Земли и так далее, на изменение частоты колебаний синусоиды. Атом с точки зрения квантовой механики — это микроскопический объект, для которого характерны переходы из одних состояний в другие, происходящие с частотой во много раз превышающей частоты колебаний используемых в кварцевых часах кристаллов. Для последних максимальные показатели составляют около 100 мегагерц, а в случае с атомными переходами счет может идти на десятки и сотни терагерц, в результате чего они меньше подвержены внешнему влиянию, чем колебательные системы кварцевых измерителей времени. 

 
«Самые точные атомные часы — оптические. Их нестабильность достигает фантастической цифры, 10-18, которая просто недостижима для микроволновых атомных часов. К примеру, если бы мы начали отсчет времени с момента образования Вселенной, то за 14 миллиардов лет ошибка бы не превысила и одной секунды. В таких устройствах используется лазер, способный выдавать синусоиду, совершающую до 10 в 15 степени колебаний в секунду», — отмечает Валерий Юдин. 

 
Сегодня атомные часы активно используются для работы систем GPS и ГЛОНАСС, передачи больших массивов информации на значительные расстояния, в военной и космической отраслях. Однако, помимо технической сферы, существует фундаментальная область применения высокоточных часов.  

 
«Многие наверняка слышали о существовании физических констант, которые, согласно некоторым современным теориям, по мере развития Вселенной могут меняться, — рассказывает Валерий Иванович. — Чтобы это произошло, должно пройти несколько миллиардов лет, поэтому отследить данный процесс без специальных приборов просто невозможно. Атомные часы позволяют значительно сократить время эксперимента. Проведя измерения в начале и в конце года, мы поймем, что произошло с частотами атомных переходов за выбранный период и сможем увидеть изменение констант». ​​

 
Важнейшим условием достижения минимальной погрешности атомных часов на уровне 10-19 в обычных условиях является подавление так называемого теплового сдвига. Именно эту задачу поставили перед собой ученые в новом исследовании. Как отмечает Валерий Юдин, любой нагретый макроскопический объект испускает тепловые фотоны, способные изменять частоту атомных переходов, что делает весьма трудным создание измерителей времени со стабильностью выше 10-17. Конечно, часы можно поместить в идеальные условия, применив криогенную технику, но сотрудники ИЛФ СО РАН пошли другим путем.  

 
Чтобы решить проблему, ученые разработали комбинированные атомные часы. Их особенностью является использование суперпозиции (суммы) сразу двух частот с калибровочным коэффициентом. «Задействовав два, образно говоря, камертончика в одном атоме, мы можем сгенерировать так называемую синтетическую частоту, которая на два порядка менее чувствительна к тепловым фотонам в комнатных условиях, чем обычные атомные часы», — рассказывает Валерий Юдин. Для создания готовых приборов измерения времени с применением новой разработки потребуется два часовых лазера, каждый из которых будет стабилизирован за отведенный ему атомный переход, а также устройство, способное объединить их частоты в суперпозиционную частоту. 

 
Метод, разработанный сотрудниками института, позволит сократить расходы на производство высокоточных атомных часов за счет отсутствия необходимости использовать дорогостоящую и громоздкую криогенную технику. Помимо этого, появится возможность создания мобильных измерительных приборов, которые будут полезны, например, для проведения исследований гравитационных полей в различных местах. В данный момент технология находится на начальном этапе своего существования, ученые высказали идеи и произвели расчеты. Теперь важно, чтобы экспериментаторы обратили внимание на новый способ подавления теплового сдвига и приступили к работе над его практической реализацией.  

 
Дмитрий Медведев, студент факультета журналистики Гуманитарного института Новосибирского государственного университета. 

 
Источник: www.sbras.info

Похожие новости

  • 03/03/2021

    Учёный НГУ создал нейросеть для газоанализатора, помогающего выявлять коронавирус

    Один из способов оперативной диагностики состояния организма разработан учеными Института автоматики и электрометрии СО РАН совместно с компанией ScientificCoin. С помощью созданного ими газоанализатора Healthmonitor можно с точностью до 85 % определить наличие в организме коронавирусной инфекции.
    675
  • 26/05/2020

    Наука будущего: беспилотник на солнечных батареях, обрывы проволоки и молекулярные ножницы

    Как совмещать открытия в медицине и в космической сфере, чем бактериальная целлюлоза поможет экологии планеты и можно ли излечить от болезни, отредактировав ДНК, — в материале портала "Будущее России.
    1934
  • 16/04/2021

    Разработки самого высокого полета

     Каждый восьмой грант, получаемый учеными региона, посвящен аэрокосмическим исследованиям. Новосибирские ученые вносят большой вклад в освоение космоса: тренажер для стыковки космических аппаратов, технология для изготовления солнечных батарей на орбите и на Луне, катализаторы орто-пара-конверсии водорода, аэродинамические исследования перспективного российского многоразового космического корабля «Орел» — вот далеко не полный перечень разработок, рожденных в Сибири.
    791
  • 20/04/2021

    «Экран ФЭП»: экологичная конкуренция, сотрудничество с государством и симбиоз с наукой

    Новосибирск занимает уникальное место на карте мирового рынка электронно-оптических преобразователей (ЭОП), применяемых в приборах ночного видения. Здесь сосредоточены три из четырех российских (а это примерно половина всех мировых) предприятий, выпускающих эти устройства.
    536
  • 15/02/2021

    Наука - великая поэзия...

    Великая поэзия нашего века — это наука с удивительным расцветом своих открытий, своим завоеванием материи, окрыляющая человека,чтоб удесятерить его деятельность. Э. Золя  День российской науки учрежден Указом Президента Российской Федерации от 7.
    440
  • 09/07/2021

    Год науки и технологий/Наука и университеты: Специализированные учебные научные центры погружают детей в прикладную науку

     В Год науки и технологий Правительство РФ внесло на рассмотрение Государственной Думы законопроект о финансировании специализированных учебных научных центров (СУНЦ) из федерального бюджета, а не через систему грантов, как это было раньше.
    1028
  • 19/09/2019

    НГУ и ИЯФ СО РАН представили на форуме «Технопром» инновационную методику лечения рака

    ​​C 18 сентября в рамках VII Международного форума технологического развития «Технопром» Новосибирский государственный университет и Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера представят стенд, посвященный совместной работе центра бор-нейрозахватной терапии онкологических заболеваний.
    1800
  • 16/10/2020

    Сильнее в математике: ректор НГУ Михаил Федорук выступил в рамках Совета молодых ученых и специалистов при Правительстве Новосибирской области

    Депутат Законодательного Cобрания Новосибирской области Михаил Федорук 15 октября выступил в рамках Совета молодых ученых и специалистов при Правительстве Новосибирской области.  «Наша цель – создать в Академгородке научный центр мирового уровня, добившись привлечения ведущих отечественных и зарубежных специалистов, – отметил депутат в докладе о работе над проектом Международного математического центра Академгородка, – причем специалистов не только именитых, но и молодых, готовых работать над передовыми научными задачами, такими как математические проблемы в естествознании, обработка данных, машинное обучение, криптография, эффективные алгоритмы и вычисления».
    1254
  • 16/12/2020

    Новосибирские ученые первыми в мире получили данные о механизме прохождения ценных промышленных газов через перспективный пористый материал ZIF-8

    ​​Ученые из лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем НГУ, сотрудники Института катализа СО РАН Даниил Колоколов, Александр Художитков и Александр Степанов совместно с другими исследователями провели работу по экспериментальному измерению диффузии легких углеводородов.
    939
  • 06/08/2019

    Новосибирские ученые начали разработку высокоэффективных компактных лазеров

    ​В последнее десятилетие во многих лабораториях мира активно исследуются возможности создания высокоэффективных, мощных и компактных лазеров, генерирующих пучки излучения в среднем инфракрасном диапазоне, в частности на длинах волн 3–8 мкм.
    1322