Atomska ura

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje
Atomska ura
FOCS 1, atomska ura v Švici z napako 10-15 , torej ne več kot sekundo v 30 milijonih let

Atomska ura ( molekularna , kvantna ura ) je naprava za merjenje časa , pri kateri se kot periodični proces uporabljajo naravna nihanja, povezana s procesi, ki se dogajajo na ravni atomov ali molekul .

Atomska ura je bistvenega pomena pri navigaciji. Določanje položaja vesoljskih ladij, satelitov, balističnih raket, letal, podmornic, pa tudi gibanje avtomobilov v avtomatskem načinu preko satelitskih komunikacij ( GPS , GLONASS , Galileo ) je nemogoče brez atomske ure. Atomske ure se uporabljajo tudi v satelitskih in prizemnih telekomunikacijskih sistemih, vključno z baznimi postajami za mobilne komunikacije, mednarodnimi in nacionalnimi uradi za standarde in storitve za natančen čas , ki občasno oddajajo začasne signale po radiu.

Od leta 1967 mednarodni sistem enot SI opredeljuje eno sekundo kot 9 192 631 770 obdobij elektromagnetnega sevanja, ki izhaja iz prehoda med dvema hiperfinim nivojem osnovnega stanja atoma cezija-133 . Po tej definiciji je atom cezija-133 standard za meritve časa in frekvence . Natančnost določanja sekunde določa natančnost določanja drugih osnovnih enot, kot so na primer volt ali meter , ki v svoji definiciji vsebujejo sekundo.

Stabilnost atomske ure (kje - odstopanje frekvence ur za določeno časovno obdobje) običajno leži v območju 10 -14 -10 -15 , v posebnih izvedbah pa doseže 10 -17 [1] , in je najboljša med vsemi obstoječimi vrstami ur [1] .

Urna naprava

Diagram atomske ure

Ura je sestavljena iz več delov:

Kremenčev oscilator je avtooscilator s piezoelektričnimi načini kremenčevega kristala, ki se uporablja kot resonančni element. Elektromagnetna nihanja, ki jih ustvarja, imajo fiksno frekvenco, ki je praviloma enaka [2] 10 MHz, 5 MHz ali 2,5 MHz, z možnostjo nastavitve v majhnih mejah (± 10 -6 , na primer s spremembo kristala temperatura). Običajno je dolgoročna stabilnost kvarčnega resonatorja nizka in znaša približno ... Za povečanje njegove stabilnosti se uporabljajo vibracije atomov ali molekul, za katere se uporabljajo vibracije kvarčnega generatorja s frekvenco se nenehno primerjajo s frekvenčno-faznim primerjalnikom s frekvenco atomske linije registriran v kvantnem diskriminatorju . Ko pride do razlike v fazi in frekvenci nihanja, povratno vezje prilagodi frekvenco kristalnega oscilatorja na zahtevano vrednost in s tem poveča stabilnost in natančnost ure na raven ...

V ZSSR je bil akademik Nikolaj Gennadijevič Basov ideolog ustvarjanja atomskih ur [3] .

Nacionalni centri za standarde frekvence

Povečanje natančnosti atomskih ur v obdobju 50 let. NIST, ZDA

Številne države so oblikovale nacionalne centre za časovne in frekvenčne standarde [4] :

Znanstveniki iz različnih držav si prizadevajo izboljšati atomske ure in na podlagi njih postaviti primarne standarde časa in frekvence; natančnost takšnih ur se vztrajno povečuje. V Rusiji na Inštitutu za fiziko izvajajo obsežne raziskave za izboljšanje lastnosti atomskih ur . Lebedev .

Vrste atomskih ur

Ni vsak atom (molekula) primeren kot diskriminator za atomsko uro. Izbrani so atomi, ki so neobčutljivi na različne zunanje vplive: magnetna, električna in elektromagnetna polja. Takšni atomi so v vsakem območju spektra elektromagnetnega sevanja. To so: atomi kalcija , rubidija , cezija , stroncija , molekule vodika , joda , metana , osmijevega (VIII) oksida itd. Za glavni (primarni) frekvenčni standard je bil izbran hiperfin prehod atoma cezija. S tem standardom se primerjajo značilnosti vseh drugih (sekundarnih) standardov. Za izvedbo takšne primerjave se trenutno uporablja tako imenovani optični glavnik ( angl . ) - sevanje s širokim frekvenčnim spektrom v obliki enako oddaljenih črt, razdalja med katerimi je vezana na standard atomske frekvence. Optični glavniki so izdelani z uporabo femtosekundnega laserja z zaklenjenim načinom in mikrostrukturiranega vlakna , pri katerem je spekter razširjen na eno oktavo .

Leta 2006 so raziskovalci iz ameriškega Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo pod vodstvom Jima Bergquista ( eng. Jim Bergquist) razvili uro, ki deluje na en atom živega srebra [5] . Med prehodi med energijskimi ravnmi živosrebrovega iona se generirajo fotoni vidnega območja s 5-krat večjo stabilnostjo kot mikrovalovno sevanje cezija-133. Nova ura lahko najde uporabo tudi pri študijah odvisnosti sprememb osnovnih fizikalnih konstant od časa. Od aprila 2015 je bila najbolj natančna atomska ura tista, ki so jo ustvarili na ameriškem nacionalnem inštitutu za standarde in tehnologijo [6] . Napaka je bila le ena sekunda v 15 milijardah let. Relativistična geodezija je bila izpostavljena kot ena od možnih aplikacij ure, katere glavna ideja je uporaba mreže ur kot gravitacijskih senzorjev, ki bodo pomagali narediti neverjetno podrobno tridimenzionalno merjenje oblike Zemlja.

V teku je aktivni razvoj kompaktnih atomskih ur za uporabo v vsakdanjem življenju (ročne ure, mobilne naprave) [7] [8] [9] [10] . V začetku leta 2011 je ameriško podjetje Symmetricom objavilo komercialno izdajo cezijeve atomske ure velikosti majhnega mikrovezja. Ura deluje na podlagi učinka koherentnega lovljenja populacije . Njihova stabilnost je 5 · 10 -11 na uro, teža - 35 g, poraba energije - 115 mW [11] .

Opombe (uredi)

  1. 1 2 Postavljen je bil nov rekord za natančnost atomskih ur (nedostopna povezava) . Membrana, 5. februar 2010. Pridobljeno 4. 3. 2011. Arhivirano 9. 2. 2012.
  2. Navedene frekvence so značilne prav za natančne kvarčne resonatorje, z najvišjim faktorjem kakovosti in frekvenčno stabilnostjo, ki je dosežena pri uporabi piezoelektričnega učinka. Na splošno se kristalni oscilatorji uporabljajo pri frekvencah od nekaj kHz do nekaj sto MHz. ( Altshuller G.B., Elfimov N.N., Shakulin V.G. Quartz Generators: Reference Guide. - M .: Radio and Communication, 1984. - S. 121, 122. - 232 str. - 27.000 izvodov. )
  3. N. G. Basov , V. S. Letohov . Optični frekvenčni standardi (rus.) // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Ruska akademija znanosti , 1968. - T. 96 , št. 12 .
  4. National metrology Laboratories (Eng.). NIST, 3. februar 2011 (pridobljeno 14. junija 2011)
  5. Oskay W., S. Diddams, Donley A., T. Frotier, Heavner T., et al. The Optical-: Atom Single Clock with High The Accuracy (Eng.) // , Phys. Rev. Lett. ... - American Physical Society, 4. julij 2006. - Zv. 97 , št. 2 . - ISSN 0031-9007 . - doi : 10.1103 / PhysRevLett.97.020801 .
  6. M. Paimakova. Nova atomska ura bo v 15 milijardah let zaostajala za sekundo (rusko) // Vesti.Ru. - 22. aprila 2015.
  7. Atomska ura: kmalu v mobilnih telefonih (nedostopna povezava) . CNews (3. september 2004). Pridobljeno 13. decembra 2010. Arhivirano 3. januarja 2012.
  8. Nanotehnologija ::
  9. Igor Lalayants. Atomske lisice // Znanje je moč . - 2005. - Št. 9 . - ISSN 0130-1640 . Arhivirano 24. junija 2008.
  10. Ruski fiziki so ustvarili "srce" miniaturne atomske ure . Lenta.ru (18. marec 2010). Datum zdravljenja: 13. december 2010.
  11. Atomska ura s lestvico čipov (CSAC) SA.45s

Povezave