Описанное в новой статье, сердце прототипа часов (вакуумная камера, содержащая атомы) размером примерно с кофейную кружку, 150 кубических сантиметров, помещено в небольшой столик с лазерами и электроникой. На данный момент это примерно в 10 раз больше, чем у ядерных часов NIST в масштабе чипа.
Но после миниатюризации и усовершенствования новый дизайн часов NIST потенциально может быть примерно того же размера и в 1000 раз более точным и стабильным, чем атомные часы в масштабе микросхемы, в течение критических промежутков времени, составляющих день или более.Достигнув этой цели, часы с холодным атомом также могут соответствовать характеристикам коммерческих атомных часов с цезиевым пучком, обычных лабораторных приборов, но в меньшем корпусе.
«Мы пытаемся вывести сверхпортативные часы на более высокий уровень производительности», — говорит физик NIST Элизабет Донли. «Наша цель — создать часы, которые даже не нуждаются в калибровке».NIST первым разработал атомные часы размером с чип в 2004 году. Атомные часы аналогичной конструкции, использующие атомы в горячем газе, были коммерциализированы несколько лет назад. В течение последних восьми лет эта исследовательская группа NIST сосредоточилась на побочной технологии — атомных магнитометрах в масштабе чипа, но недавно переориентировалась на конструкции миниатюрных атомных часов.
Атомные часы в масштабе микросхемы сохраняют время достаточно хорошо для многих приложений, требующих временной синхронизации в течение коротких периодов, таких как приемники GPS. Но точность часов имеет тенденцию дрейфовать с течением времени за пределы нескольких часов, потому что атомы диспергированы в газах под высоким давлением, которые изменяют резонансную частоту атомов — тактовую частоту часов — в зависимости от температуры. Новые часы с холодным атомом вообще не используют эти газы, что устраняет этот источник ошибок.
Подобные улучшения могут расширить возможности использования небольших часов с низким энергопотреблением до требовательных приложений, таких как синхронизация телекоммуникационных сетей.Часы NIST с холодным атомом основаны на примерно 1 миллионе атомов рубидия, содержащихся в небольшой стеклянной вакуумной камере.
Атомы охлаждаются лазером и захватываются магнитными полями при очень низких, микрокельвиновых температурах. Два лазера ближнего инфракрасного диапазона возбуждают атомы симметрично сверху и снизу.
Каждый лазер генерирует две частоты света, которые настраиваются до тех пор, пока атомы не начнут колебаться между двумя энергетическими состояниями и не перестанут поглощать свет. Это устанавливает тактовую частоту тактовой частоты на определенной частоте микроволн.
Направляя атомы одновременно с противоположных направлений, лазерное устройство устраняет основной источник ошибок измерения — доплеровский сдвиг или изменение кажущейся резонансной частоты атомов, когда они взаимодействуют и движутся с лазерным светом. Часы также обладают специальными квантовыми характеристиками, уникальными для атомов рубидия, которые повышают контраст сигнала и делают более точным обнаружение тактов часов.Исследователи NIST уже работают над следующей версией часов холодного атома.
Исследователи ожидают не только уменьшения его размера, но и улучшения его характеристик за счет добавления магнитного экранирования и антиотражающего покрытия. Исследование частично финансируется Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов.
