• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
15 мая
Андрей Папиш
320

Физики создали молекулярные часы, которые сохраняют наносекундную точность в море

5.3

Американские физики разработали компактные оптические часы на основе молекулярного йода. Трехнедельные испытания в открытом море показали, что они достаточно стабильны и нечувствительны к внешней среде, а это продвигает вперед возможности морской навигации.

Испытание оптических часов в море
Испытание оптических часов в море. A) Штабель часов для RIMPAC 2022. Стойка содержала три независимых оптических часовых устройства, блок питания и управляющий ноутбук для каждых часов, источник бесперебойного питания и измерительную систему. B) Грузовой контейнер с часами был поднят краном на палубу корабля, где он оставался в течение трехнедельных военно-морских учений. C) GPS-трек плавания корабля вокруг Гавайских островов. Корабль начал и закончил свое плавание в Перл-Харборе. D) Наложенное отклонение во время плавания. Пара EPIC-PICKLES сохраняет фракционную нестабильность частоты 8 × 10^-15 после 105 секунд усреднения, что соответствует временной задержке 400 пикосекунд. E) Отклонения для частотных колебаний PICKLES-EPIC в лаборатории и в море с зарегистрированными креном и качкой судна (вращение и ускорение по другим осям судна показали аналогичное поведение). Отклонение PICKLES-VIPER (не показано) продемонстрировало аналогичную невосприимчивость к движению судна / © Nature, Jonathan D. Roslund et al.

Мы живем в четырехмерном пространстве, где три измерения — это высота, ширина и длина, а четвертое — время. Современная наука пытается познать эти пространства как можно подробнее.

Люди научились измерять расстояния уже в нанометрах, а время — в аттосекундах. В этих единицах работают самые точные на сегодня часы, основанные на электромагнитном излучении, возникающем при переходе электронов в атомах цезия с одной «орбиты» на другую.

Атомные часы измеряют время с точностью до 10^-18 (то есть до квинтиллионных долей секунды). Если сравнивать их показания с сигналом точного времени со спутника или удаленных стационарных часов, можно заметить изменения в скорости хода времени из-за изменения силы гравитационного воздействия (например, из-за изменения высоты над уровнем моря). Благо, как известно из теории относительности, чем сильнее гравитация в той или иной точке пространства, тем медленнее там течет время.

Повысить точность часов можно, если взять несколько атомов и сделать из них атомную оптическую решетку (для этого используют стронций или тулий). По атомам в такой решетке «стреляют» лазерами, что позволяет глубоко охладить всю решетку и до предела снизить межатомные колебания в ней, поднимая точность измерений. Такая точность необходима не только для сугубо научных изысканий в фундаментальной физике, но и для навигации.

Миллионы устройств, связанных со спутниками GPS, или Глобальной навигационной спутниковой системой (ГНСС), продолжают работать потому, что орбитальные аппараты синхронизированы с атомными часами на наносекундном уровне. Это позволяет определять координаты с точностью до нескольких метров. Правда, сохранить подобный результат легко только в лабораториях. В полевых условиях — например, на морских кораблях, которые особенно нуждаются в стабильных и точных координатах — добиться этого сложно, ведь в море случаются штормы, а суда курсируют сквозь магнитные моля Земли.

Группа физиков из компании Vector Atomic в США разработала оптические часы на мобильных платформах, которые нечувствительны к внешней среде и основаны на молекулярном йоде. Сначала исследователи создали эти часы в лаборатории, а затем испытали три устройства в море в течение 20 дней. Результаты научной работы опубликованы в журнале Nature.

Йод давно известен как оптический стандарт частоты с длиной волны 532 или 1064 нанометра и точностью в 10^-10, что чуть выше наносекундной величины. Лазер с йодной ячейкой используют, например, в баллистическом гравиметре для измерения ускорения свободного падения. В новом исследовании физики сконструировали часы с лазерной системой и изолированными парами йода. Благодаря этому, по словам ученых, структура не требует лазерного охлаждения, предварительной стабилизации и нечувствительна к движению. Исследователи выбрали молекулярный йод еще и потому, что устройство, работающее на ионах или атомах, было бы дороже, тяжелее, больше и не так надежно. Но новые часы хоть и вышли компактными — объемом всего 35 литров и массой 26 килограммов — не столь точны, как атомные.

Определение характеристик часов в лаборатории. Эти однодневные наборы данных показывают нестабильность обоих часов на уровне ∼ 2 × 10^-15 после 104 секунд усреднения. Выделение отдельных нестабильностей часов показывает, что оба йодных часа работают при 5 × 10^-14 (PICKLES) и 6 × 10^-14 (EPIC) / © Nature, Jonathan D. Roslund et al.

Три первых устройства — PICKLES, EPIC и VIPER (эти чуть попроще) — испытали в 2022 году в штате Колорадо, где сравнивали их работу с универсальной шкалой времени NIST на протяжении 34 дней. Дрейф частоты новых часов был закономерно больше, чем у атомного стандарта, — всего 300 пикосекунд (300 триллионных долей секунды) за день.

Удовлетворенные таким лабораторным результатом физики отправили свои часы в Перл-Харбор для испытания в крупнейших военно-морских учениях RIMPAC. Устройства жестко закрепили на полу грузового контейнера, где работал кондиционер, на три недели и не трогали (только VIPER пришлось перезапустить из-за сбоя в питании). В полевых условиях температура колебалась на 2-3 °C, влажность — на 4-5%, а судно кренилось и дрожало во время движений.

За 20 дней в море часы не показали отклонений в характеристиках на коротких интервалах в тысячу секунд. Пара PICKLES-EPIC сохранила нестабильность, эквивалентную 400 пикосекундам (400 триллионных долей секунды) в сутки. Скорость дрейфа была той же, что и в атомных часах NIST. VIPER показал как кратковременную, так и суточную нестабильность, но ученые и сделали эти часы попроще.

Иными словами, если новые часы, установленные на судне, потеряют связь с внешними часами, то есть со спутниками, их отставание будет минимальным, а точность продолжит находиться в пределах наносекунд. Это делает оптические часы на основе молекулярного йода самыми высокопроизводительными морскими часами на сегодня. Они минимально чувствительны к внешней среде (правда, кондиционер может немного испортить фон), стабильны и компактны.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 12:38
ПНИПУ

Происхождение нефти и газа стали изучать еще до возникновения нефтяной промышленности. О генезисе важных ресурсов до сих пор нет единого мнения. Ученые Пермского Политеха рассказали, откуда они взялись на нашей планете, возможна ли их добыча в космосе, как нефть используется в продуктах питания и что такое «дверь в преисподнюю».

Вчера, 08:35
Полина Меньшова

Ледник Туэйтса в Западной Антарктиде, который также называют «ледником Судного дня», может растаять раньше, чем считали ученые. Теплые океанские воды воздействуют на него сильнее, чем предполагалось, показали новые спутниковые данные.

Позавчера, 16:56
Андрей

Группа энтомологов решила уточнить, откуда происходят предки современных рыжих тараканов и каким образом те захватили человеческие жилища почти на всех континентах. Для этого ученые секвенировали ДНК примерно 300 насекомых и смоделировали наиболее вероятные сценарии расселения на основе генетической информации.

20 мая
Полина Меньшова

Британский учитель географии Грэм Сеньор работал в саду и случайно обнаружил в земле небольшой прямоугольный камень. Оказалось, что на артефакте высечен текст, написанный с помощью древнего кельтского алфавита огам.

Позавчера, 16:56
Андрей

Группа энтомологов решила уточнить, откуда происходят предки современных рыжих тараканов и каким образом те захватили человеческие жилища почти на всех континентах. Для этого ученые секвенировали ДНК примерно 300 насекомых и смоделировали наиболее вероятные сценарии расселения на основе генетической информации.

18 мая
Полина Меньшова

При гипертонии пациентам рекомендуют аэробные тренировки, включающие в себя, например, ходьбу, бег, танцы, езду на велосипеде. Но такая физическая нагрузка положительно влияет на артериальное давление только в вечернее время, выяснили физиологи из Бразилии и США.

24 апреля
Ольга Иванова

Ученые из Австралии и Канады пришли к выводу, что подавляющее большинство одиноких людей не вступает в романтические отношения из-за страха. С одной стороны ими руководят опасения, что их отвергнут, с другой — что они потеряют свою независимость.

15 мая
НИУ ВШЭ

Международный коллектив исследователей при участии ученых из Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ изучил, как выбор иностранного языка влияет на когнитивные способности человека. Оказалось, что языки, непохожие на родной, стимулируют когнитивную функцию на начальном этапе их изучения, а близкие к родному имеют отложенный эффект и помогают мозгу эффективнее работать при более высоком уровне владения иностранным языком.

3 мая
Василий Парфенов

Ледяной покров Антарктики претерпевает значительные изменения на протяжении года, и его поведение хорошо изучено в общем. Но некоторые локальные аномалии объяснить не получается вот уже несколько десятилетий. Одна из них — полынья возвышения Мод, или полынья моря Уэдделла, которая появляется нерегулярно на одном и том же месте. Международная команда океанологов, наконец, смогла разгадать механизмы ее образования.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: