Американские физики создали небольшие оптические часы, использующие молекулярный йод. Проведенные в открытом море трехнедельные тесты продемонстрировали их стабильность и устойчивость к воздействию окружающей среды, что открывает новые перспективы для морской навигации.
Наше существование происходит в четырехмерном пространстве, где высота, ширина и длина представляют собой три измерения, а время выступает в роли четвертого. Современные научные исследования направлены на максимально глубокое изучение этих пространств.
Уже существуют методы измерения расстояний с точностью до нанометров и времени — до аттосекунд. В этих единицах функционируют самые точные часы на сегодняшний день, которые основаны на электромагнитном излучении, возникающем в процессе перехода электронов в атомах цезия между различными энергетическими уровнями.
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.
Точность хода часов можно улучшить, используя несколько атомов и формируя из них атомную оптическую решетку (для этого используются стронций или тулий). При помощи лазеров воздействуют на атомы в кристаллической решетке, что позволяет значительно охладить ее и минимизировать межатомные колебания, повышая точность измерений. Такая высокая точность важна как для фундаментальных научных исследований в физике, так и для навигационных систем.
Орбитальные аппараты Глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), или миллионы устройств, использующих данные со спутников GPS, продолжают функционировать благодаря синхронизации с атомными часами с точностью до наносекунд. Такая синхронизация позволяет определять местоположение с погрешностью до нескольких метров. Однако поддержание требуемой точности просто в лабораторных условиях. В реальных условиях, например, на морских судах, которые особенно нуждаются в стабильных и точных координатах, достичь этого затруднительно, поскольку на море происходят штормы, а суда проходят через магнитные аномалии Земли.
Американские физики из компании Vector Atomic создали оптические часы на базе мобильных платформ, устойчивые к воздействию окружающей среды и использующие молекулярный йод. Сначала ученые создали эти часы в лабораторных условиях, после чего провели испытания трех устройств в морских условиях 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, баллистические гравиметры также используются для измерения ускорения свободного падения. В рамках нового исследования физики разработали часы с лазерной системой, основанной на изолированных парах йода. По словам ученых, такая конструкция позволяет избежать необходимости лазерного охлаждения и предварительной стабилизации, а также делает устройство нечувствительным к движению. Выбор молекулярного йода был обусловлен тем, что создание устройства на основе ионов или атомов было бы более затратным, громоздким и менее надежным. Несмотря на компактные размеры – объем 35 литров и вес 26 килограммов – новые часы уступают атомным по точности.
В 2022 году в Колорадо были протестированы первые три устройства — PICKLES, EPIC и VIPER (они обладают более простой конструкцией), где проводилось сравнение их производительности с общепринятой 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.
Довольные результатами лабораторной работы по физике, специалисты передали свои часы в Перл-Харбор для участия в масштабных военно-морских учениях RIMPAC. Устройства были надежно закреплены на полу грузового контейнера, оснащенного системой кондиционирования, и оставались в этом положении в течение трех недель (за исключением перезапуска VIPER, вызванного кратковременным перебоем в электропитании). В условиях эксплуатации колебания температуры достигали 2-3 °C, а влажность менялась на 4-5%, при этом судно испытывало крен и вибрации во время передвижения.
В течение 20 дней, проведенных в море, часы не продемонстрировали изменений в показателях на промежутках времени в тысячу секунд. Пара PICKLES-EPIC сохранила нестабильность, соответствующую 400 пикосекундам (400 триллионных долей секунды) в течение суток. Скорость дрейфа оказалась сопоставима с показателями атомных часов NIST. VIPER зафиксировал как кратковременную, так и суточную нестабильность, но ученые стремились упростить конструкцию этих часов.
По сути, если бортовые часы судна потеряют синхронизацию с внешними эталонами времени, например, со спутниками, их погрешность останется незначительной, а точность сохранится на уровне наносекунд. Благодаря этому оптические часы на основе молекулярного йода являются наиболее эффективными морскими часами, доступными в настоящее время. Они характеризуются низкой восприимчивостью к внешним факторам (хотя работа кондиционера может незначительно повлиять на фон), отличаются стабильностью и компактностью.