Атомний годинник

А́томний годи́нник (квантовий годинник) — пристрій для вимірювання часу, що використовує як стандарт частоту електронного переходу між енергетичними рівнями в атомах.

Атомний годинник не більше чипа, представлений NIST

Роль «маятника» у ньому відіграють атоми. Частота випромінювання атомів при переході їх з одного енергетичного рівня на інший регулює хід атомного годинника. Ця частота настільки стабільна, що атомний годинник дозволяє вимірювати час точніше, ніж астрономічні методи.

З 1967 року міжнародна система одиниць SI визначає одну секунду як 9 192 631 770 періодів електромагнітного випромінювання при переходах між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133. Згідно з цим визначенням, атом цезію-133 є стандартом для вимірювань часу і частоти.

Діаграма, що ілюструє збільшення точності різних атомних годинників залежно від року виготовлення

Історія

Ідею про можливість використання атомних коливань водню для вимірювання часу запропонував ще в 1879 році англійський фізик лорд Кельвін, однак тільки в середині XX століття це стало можливим.

У 1930-х роках американський фізик і першовідкривач ядерного магнітного резонансу Ісидор Рабі почав працювати над атомним годинником на цезії-133, однак початок війни завадив йому. Вже після війни, в 1949 році, в Національному комітеті стандартів США за участю Гарольда Лайонсона створили перший молекулярний годинник, що використовував молекули аміаку.

Одними з перших у світі^[коли?] атомними годинниками були цезієві годинники Атоміхрон, виготовлені приватною компанією National Company, Inc. з Молдена, штат Массачусетс (США).

1955 року Луї Ессен^[ru] із Національної фізичної лабораторії Великої Британії створив перший атомний годинник на цезії-133. Цей годинник накопичував похибку в одну секунду за мільйон років. Прилад отримав назву NBS-1 і його стали вважати цезієвим еталоном частоти^[1].

1964 року Hewlett-Packard розробила компактний цезієвий прилад HP 5060A розміром із велику валізу. 2005 року Hewlett-Packard продала підрозділ, який розробляв атомні годинники, компанії Symmetricom^[en].

У 2011 році фахівці «Лабораторії Дрейпера» і «Сандійських національних лабораторій» розробили, а компанія Symmetricom випустила перші мініатюрні атомні годинники Quantum^[1].

Співробітники Національного інституту стандартів і технологій (NIST) влітку 2013 року оголосили про розробку годинника на основі атомів ітербію, який вдесятеро перевершив аналоги за точністю. На відміну від цезію, частота переходів в ітербії набагато вища, що й було застосовано дослідниками. Порівняння двох створених примірників дозволило встановити, що їх похибка становить 1,6 до 10¹⁸, — за один мільярд років ходу похибка складе одну секунду^{[2][ангажоване джерело]}.

Наприкінці 2013 року американська компанія Bathys Hawaii представила перший «наручний» атомний годинник. Як основний компонент в них використовується чип SA.45s виробництва компанії Symmetricom^[1].

На початку 2014 року NIST ввів до ладу атомний годинник NIST-F2(інші мови), який накопичує помилку в одну секунду протягом 300 мільйонів років. Новий годинник замінив NIST-F1(інші мови) як стандарт цивільного часу й частот в США. Дані NIST-F2 надіслали до Міжнародного бюро мір і ваг, яке збирає дані атомних годинників світу для стандарту міжнародного атомного часу. Там NIST-F2 визнали одним із найточніших атомних годинників^[3].

Принцип дії

В атомних годинниках застосовуються атоми, спектри яких мають надтонку структуру, що зумовлена розщепленням спектральних мультиплетів в магнітному полі ядра. Це магнітне поле однакове для кожного з атомів, а тому може бути стандартом. Газ із таких атомів поміщено в резонатор електромагнітних коливань, резонансних із частотою переходу між розщепленими лініями. Детектування оптичних переходів відбувається з використанням інтерферометрів з високою роздільною здатністю.

Ядерний годинник

У березні 2012 року вчені з Університету Нового Південного Уельсу, Технологічного Інституту Джорджії й Університету Невади^[en] (Кемпбелл, Раднаєв, Кузьмич, Дзюба, Фламбаум, Дерев'янко) запропонували схему ядерного годинника, який перевершує за точністю сучасні аналоги на кілька порядків. Подібна схема в теорії дає похибку близько ${\displaystyle 1 \over 10}$ секунди за 14 мільярдів років. Для порівняння, час існування Всесвіту — 13,6 мільярда років^[4][5].

У вересні 2024 року міжнародна група дослідників під керівництвом вчених з JILA (США) представила важливий крок у створенні ядерного годинника. Згідно повідомлення в журналі Nature, в експерименті вчені використовували торій-229, атом якого має найнижчий енергетичний стрибок серед відомих елементів, що дало змогу застосувати ультрафіолетовий лазер замість рентгенівських променів^[6][7].

Див. також

• Міжнародний атомний час
• Миколаївська астрономічна обсерваторія

Примітки

1. Сверим часы. Краткая история появления атомных приборов измерения времени / Лента.ру, 11 апреля 2014, 10:45 [Архівовано 12 квітня 2014 у Wayback Machine.](рос.)
2. N. Hinkley, J. A. Sherman, N. B. Phillips, M. Schioppo, N. D. Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, C. W. Oates, A. D. Ludlow (13 вересня 2013). An Atomic Clock with 10-18 Instability. Science. Т. 341, № 6151. с. 1215—1218. Архів оригіналу за 19 лютого 2014.(англ.)
3. NIST Launches a New U.S. Time Standard: NIST-F2 Atomic Clock. NIST. 03 квітня 2014. Процитовано 3 жовтня 2023.
4. Victor Flambaum, Bob Beale (08 березня 2012). Nuclear clock may keep time with the Universe (News). UNSW. Архів оригіналу за 13 квітня 2014. Процитовано 12 квітня 2014.
5. C. J. Campbell, A. G. Radnaev, A. Kuzmich, V. A. Dzuba, V. V. Flambaum, A. Derevianko) (11 жовтня 2011). A Single-Ion Nuclear Clock for Metrology at the 19th Decimal Place. arXiv:1110.2490v1. Архів оригіналу за 29 липня 2016. Процитовано 12 квітня 2014.(англ.)
6. Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock. // Chuankun Zhang, Tian Ooi, Jacob S. Higgins, Jack F. Doyle et al. Nature volume 633, pages63–70 (2024). Published: 04 September 2024
7. Точніше атомних. Вчені зробили прорив у створенні ядерного годинника. 05.09.2024, 18:30

Посилання

• Time Services FAQ. National Research Council Canada. Архів оригіналу за 24 липня 2012. Процитовано 2 жовтня 2023. {{cite web}}: Проігноровано |chapter= (довідка)(англ.)(фр.)
• S.R. Jefferts, T.P. Heavner, T.E. Parker and J.H. Shirley (NIST Time and Frequency Division) (2007). NIST Cesium Fountains − Current Status and Future Prospects (PDF). Acta Physica Polonica A. 112 (5): 759 ff. Bibcode:2007AcPPA.112..759J. Архів оригіналу (PDF) за 7 січня 2021. Процитовано 30 вересня 2012.