Отечественные физики создали квантовый дискриминатор для сверхточных атомных часов будущего

Сотрудники Лаборатории стандартов частоты Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) разработали квантовый дискриминатор — «сердце» будущих высокостабильных атомных часов.

Собранный в ФИАНе прототип квантового дискриминатора.

Объем квантового дискриминатора — не более 10 см³. Несмотря на это, атомные часы будут настолько точны, что за сутки накопят отклонение лишь в одну миллионную секунды.

Относительная нестабильность одних из самых точных в мире атомных стандартов частоты и времени (цезиевых фонтанов) достигает 10^–16. Такие часы задают время в национальных метрологических лабораториях. Часы с более низкой точностью — 10^–13 — обеспечивают точное измерение времени на навигационных спутниках (GPS, ГЛОНАСС). Конечно, в большинстве случаев столь высокая точность не нужна, хватит и 10^–11 — 10^–9. Так, производимые сейчас прецизионные кварцевые генераторы имеют относительную долговременную нестабильность частоты около 10^–9 — 10^–10 в сутки. Традиционные рубидиевые стандарты с объемом порядка тысячи кубических сантиметров, а весом до килограммов обладают нестабильностью выходной частоты 10^–12.

Физики ФИАНа Владимир Величанский, Виталий Васильев, Сергей Зибров и аспиранты Ольга Козлова и Александр Сивак в сотрудничестве с Институтом лазерной физики СО РАН разрабатывают атомные часы нового поколения с относительной нестабильностью 10^–11, сочетая ее с миниатюрностью прибора. «Маятником» часов является атом цезия, в котором взаимная ориентация моментов ядра и электрона меняется примерно 10 млрд раз в секунду. Такой «хронометр» рассчитан на массовое применение, он заменит прецизионные кварцевые генераторы, так как на порядок превосходит их по долговременной стабильности при меньшем объеме и энергопотреблении. Ожидается, что объем часов не будет превышать 50 см³, а необходимая для потребления мощность составит 0,3 Вт.

«На габариты атомных стандартов частоты и времени предыдущего поколения накладывалось ограничение, определяемое длиной волны резонансного СВЧ-поля, взаимодействующего с атомной средой, — поясняет научный сотрудник Лаборатории стандартов частоты Виталий Васильев. — Поэтому создать прибор с характерными размерами меньше нескольких сантиметров до недавнего времени считалось невозможным. Однако благодаря открытию в 70-х годах эффекта когерентного пленения населенностей (КПН) и разработке миниатюрных диодных лазеров сейчас эти ограничения удалось устранить. Теперь вместо зондирования метрологического резонанса атомов оптическим и СВЧ-полем используют два оптических поля, и необходимость в громоздком СВЧ-резонаторе отпала. Это и открыло путь к миниатюризации».

«Для оптического возбуждения вместо газоразрядных ламп ныне используются миниатюрные лазеры, что позволяет без ухудшения характеристик в десятки раз уменьшить габариты атомных стандартов с относительной нестабильностью около 10^–11, сократить их энергопотребление и стоимость. Это позволит встраивать атомные часы в портативные устройства», — развивает тему аспирант Александр Сивак.

Разработка подобных атомных часов ведется также в США, Франции, Китае, Израиле, Канаде и Швейцарии.

«Наука интернациональна, и наш проект показывает это особенно наглядно, — рассказывает ведущий научный сотрудник Владимир Величанский. — В Италии обнаружили КПН-эффект, в Канаде первыми осуществили чисто оптическое зондирование СВЧ-резонанса, мы в ФИАНе в 1991 году первыми применили высококогерентные полупроводниковые лазеры для регистрации эффекта, а в Германии продемонстрировали возможность использования самого миниатюрного типа полупроводниковых лазеров — с вертикальным резонатором. Уже в этом веке Национальный институт стандартов и технологии (США) и мощные компании Honeywell, Symmetricom и Kenko приступили к разработке технологии массового производства малогабаритных атомных часов».

Одновременно с созданием соответствующей компактной электронной схемы в ФИАНе трудятся над дальнейшим уменьшением объема дискриминатора и новыми технологиями разработки его основных узлов. Завершение опытно-конструкторской части проекта намечено на 2012 год, после чего одна из российских компаний приступит к организации в стране серийного производства точных, малогабаритных атомных часов. Серийно выпускаемый прибор позволит увеличить быстродействие потребительских навигационных устройств, развить помехозащищенную широкополосную связь, применить новые методы локации...

Подготовлено по материалам Физического института им. П.Н. Лебедева РАН .

Каждый день слушайте итоговый подкаст Свободного Радио «Компьюлента»!

blog comments powered by Disqus