Британские ученые из Национальной физической лаборатории разработали компактную версию атомных часов, не утратившую выдающуюся точность. Размеры нового устройства составляют всего 5% от габаритов стандартных часов аналогичного типа, что позволяет переносить их вручную. Миниатюрные часы демонстрируют такую же высокую точность, как и их крупные лабораторные прототипы. Их погрешность настолько незначительна, что они могут отклониться от времени на одну секунду за период, равный десяткам миллионов лет.
Команда NPL разработала принципиально новое решение, которое позволяет значительно упростить и существенно уменьшить размеры классической схемы атомных часов с фонтанной структурой. В обычных высокоточных устройствах такого типа лазерно охлаждённые атомы, аналогично струе фонтана, поднимаются вверх и дважды проходят через микроволновый резонатор – при движении вверх и вниз под действием силы тяжести. Этот длительный, контролируемый процесс обеспечивает продолжительное взаимодействие атомов с излучением, что и определяет высокую стабильность работы.
Решающим достижением британских физиков стало исключение двух массивных и труднореализуемых компонентов: специализированной камеры для определения конечного квантового состояния атомов и отдельного резонатора, необходимого для их предварительного отбора. В новой, более компактной схеме обе эти функции выполняются непосредственно в объёме основной камеры охлаждения и удержания атомов. Для этого через коаксиально-волноводный переход в камеру подаётся микроволновое излучение заданной частоты, формирующее бегущую волну, которая и осуществляет отбор состояний.
Благодаря упрощению оптической системы и магнитного экрана, а также применению общедоступных комплектующих, часы стали более удобными в использовании и ремонте. Высота устройства приблизительно равна 80 сантиметрам, а его вакуумная система обладает размерами в 20 раз меньшими по сравнению с обычными моделями. Руководитель исследования, доктор Сэм Уолби, отметил, что данная разработка позволяет вывести технологию сверхточного хронометража за пределы национальных лабораторий, открывая перспективы для создания современной, надежной инфраструктуры и систем навигации.
По словам разработчиков, компактные часы способны выполнять роль надежного резервного механизма, сохраняя высокую точность отсчета времени с погрешностью менее двух наносекунд в месяц. Это необходимо для бесперебойной работы национальных систем позиционирования, навигации и синхронизации времени, особенно в условиях увеличения угроз, таких как сбои в работе спутников и кибернападения.
Результаты работы были в журнале Applied Physics Letters.