В Китае представили «самые маленькие в мире» атомные часы

Китай начал массовое производство самых маленьких в мире атомных часов. Созданное командой Уханьского университета устройство размером с ноготь обеспечивает исключительную точность, теряя всего одну секунду за 30 000 лет.

Компактная конструкция объёмом 2,3 кубических см значительно меньше, чем у ведущих американских моделей, что упрощает интеграцию в беспилотники, ракеты и подводные платформы.

Обычные атомные часы, даже в миниатюрном исполнении, обычно занимают объём в несколько сотен кубических см и потребляют несколько ватт энергии. В отличие от традиционных методов, новая конструкция обеспечивает аналогичную точность в гораздо меньшем масштабе.

Прорыв в миниатюризации стал возможен благодаря квантово-оптическому методу, известному как когерентное пленение населённостей (Coherent Population Trapping, CPT) — квантовому эффекту, при котором атомы (или другие квантовые системы) переходят в «тёмное» состояние (суперпозицию двух основных уровней) под воздействием двух когерентных световых полей.

В этом состоянии атомы перестают поглощать свет и взаимодействовать с полем. Это позволило отказаться от более громоздкого подхода с использованием микроволнового резонатора, применяемого в традиционных атомных часах.

Традиционные атомные часы основаны на резонансе микроволнового резонатора, при котором микроволны взаимодействуют с атомами в резонансной камере, создавая стабильную частоту. Однако этот метод накладывает строгие физические ограничения на размер и энергопотребление, что затрудняет дальнейшую миниатюризацию.

В новой конструкции вместо этого используется микропаровая ячейка, содержащая атомы щелочных металлов, таких как рубидий, в сочетании с двумя оптическими частотами, генерируемыми модулированным полупроводниковым лазером. Когда разница частот точно совпадает с энергетическим зазором между основными состояниями атомов, атомы переходят в «тёмное состояние».

Это создает резкий пик оптической передачи, который служит высокостабильным эталоном частоты. Поскольку система основана на компактных лазерах и компонентах на уровне чипа, весь тактовый генератор может быть интегрирован в высокоэффективный маломощный модуль. Технология обеспечивает масштабируемое производство за счёт изготовления на уровне чипа.

По словам команды разработчиков, высокие затраты и требования к лазерам всё равно ограничивают широкое распространение таких часов.

Ранее физики из MIT удвоили точность оптических часов, уменьшив квантовый шум. В перспективе новый подход может привести к разработке более компактных и мобильных оптических установок. Собственную версию оптических часов также представили исследователи из Торонто в конце ноября.

Главная особенность разработки заключается в охлаждении атомов стронция до температуры ниже пяти кельвинов, чтобы устранить тепловое воздействие и снизить погрешность в частоте колебаний. По словам авторов, новое устройство примерно в сто раз точнее традиционных цезиевых часов.

Между тем исследователи из Национального института стандартов и технологий усовершенствовали свои атомные часы, основанные на захвате ионов алюминия. Они принадлежат к самому новому поколению оптических атомных часов и способны вести отсчёт времени с точностью до 19 знаков после запятой.