Физики из Америки создали компактные оптические часы с использованием молекулярного йода. Три недели испытаний в открытом море подтвердили их высокую стабильность и устойчивость к воздействию внешней среды, что способствует развитию возможностей морской навигации.
А) Штабель часов для РИМПАК 2022. Стойка включала три автономных устройства оптического времениизмерения, блок питания и управляющий ноутбук для каждого из них, источник бесперебойного питания и измерительную систему. Б) Грузовой контейнер с часами был поднят краном на палубу корабля, где он находился в течение трехнедельных военно-морских учений. В) GPS-трек плавания корабля вокруг Гавайских островов. Корабль начал и завершил свое путешествие в Перл-Харборе. Г) Наложенное отклонение во время плавания. Пара EPIC-PICKLES сохраняет фракционную нестабильность частоты 8 × 10^-15 после усреднения за 105 секунд, что эквивалентно временной задержке 400 пикосекунд. Д) Отклонения для колебаний частоты 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 подобную устойчивость к движению судна.
Мы существуем в четырёхмерном мире, состоящем из трёх измерений — высоты, ширины и длины, и дополнительного измерения времени. Наука стремится изучить эти пространства максимально полно.
Человечество освоило измерение расстояний до нанометров и времени — до аттосекунд. Самые точные современные часы функционируют в этих единицах, основываясь на электромагнитном излучении, возникающем при переходе электронов атомов цезия с одной энергетической ступени на другую.
Атомные часыИзмерительные приборы регистрируют время с точностью до 10^-18 секунды. Сравнение показаний таких приборов с сигналом времени от спутника или стационарных часов выявляет изменения скорости хода времени вследствие изменения силы гравитационного воздействия (например, из-за высоты над уровнем моря). Как известно из теории относительности, чем сильнее гравитация в определённом месте пространства, тем медленнее там течет время.
Для повышения точности часов можно использовать атомную оптическую решетку, созданную из нескольких атомов. стронций или тулийВ такой решетке атомами воздействуют лазерами, охлаждая ее и уменьшая межатомные колебания, что повышает точность измерений. Эта точность важна не только для научных исследований в фундаментальной физике, но и для навигации.
Множество устройств, использующих спутники GPS или Глобальную навигационную спутниковую систему (ГНСС), функционируют благодаря синхронизации орбитальных аппаратов с атомными часами на уровне наносекунд. Это обеспечивает определение координат с точностью до нескольких метров. Такой результат достижимо лишь в лабораторных условиях. В полевых условиях, например, на морских судах, нуждающихся в стабильности и точности координат, это сложно реализовать из-за штормов и прохождения судов сквозь магнитные аномалии Земли.
В компании Vector Atomic в США группа физиков изобрела оптические часы на мобильных платформах, невосприимчивые к внешним условиям и работающие на основе молекулярного йода. Сначала ученые создали часы в лаборатории, а затем проверили три устройства в море в течение двадцати дней. опубликованы в журнале Nature.
Йод давно известенОптический стандарт частоты с длиной волны 532 или 1064 нанометра и точностью 10^-10, немного превышающей наносекунду. Лазер с йодной ячейкой. используютНапример, в баллистическом гравиметре измеряют ускорение свободного падения. В новом исследовании физики создали часы с лазерной системой и изолированными парами йода. Благодаря этому, по словам ученых, структура не нуждается в лазерном охлаждении, 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 менее надежно. Но новые часы хоть и вышли компактными — объемом всего 35 литров и массой 26 килограммов — не столь точны, как атомные.
Три первых прибора — PICKLES, EPIC и VIPER (последние несколько проще) — проверили в 2022 году в штате Колорадо. Сравнение их работы проводилось с универсальной шкалой времени. NISTВ течение 34 дней отклонение частоты новых часов от эталона составляло в среднем 300 пикосекунд в сутки.
Рады полученным результатам, физики направили свои часы в Перл-Харбор для тестирования во время больших военно-морских учений. RIMPACУстройства закрепили на полу грузового контейнера с работающим кондиционером на три недели без изменения их положения (кроме перезапуска VIPER из-за сбоя в питании). В полевых условиях температура колебалась на 2-3 градуса, влажность — на 4-5%, а судно кренилось и дрожало при движении.
За двадцать суток на море часы не продемонстрировали отклонений по характеристикам на коротких интервалах в тысячу секунд. Система PICKLES-EPIC сохранила нестабильность, эквивалентную 400 пикосекундам в сутки. Скорость дрейфа совпала со скоростью атомных часов NIST. VIPER продемонстрировал как кратковременную, так и суточную нестабильность, но учёные упростили конструкцию этих часов.
Новые часы на судне будут отставать от спутников на минимум времени, если потеряют связь, точность останется в пределах наносекунд. Это делает оптические часы на основе молекулярного йода самыми точными морскими часами.