Прогресс в точности измерения времени20.08.2015 14:38

Физик Виталий Пальчиков об атомных стандартах частоты, эффекте лазерного охлаждения и оптических часах

Я хотел бы рассказать о прогрессе в точности воспроизведения единиц времени и частоты в некоторой исторической хронологии. Самые, пожалуй, точные часы основаны на переходах между квантовыми состояниями в атомах, ионах и молекулах. Но чтобы подойти к такому определению единиц времени и частоты, необходимо вспомнить определенную хронологию событий, которые привели к созданию и повышению точности, необходимой в современных стандартах частоты.

Часы известны с давних времен, они самые разнообразные, в том числе те, которые использовались древними египтянами в виде поворота отбрасываемой тени, вплоть до самых современных. О точных часах в современном понимании этого слова можно говорить, начиная с морских хронометров, которые были изобретены англичанином Харрисоном, которые позволяли с помощью примитивных приборов типа простых астролябий и этих точных часов, хронометров, определять с достаточной точностью свое местоположение. В дальнейшем механические часы все время совершенствовались, и апофеозом их развития было создание механических часов на уровне стандартов частоты. В начале XX века эти часы использовались в национальных лабораториях мира в качестве национальных стандартов частоты. По ним происходила поверка, сличение с часами, обладающими меньшей точностью, но на верхнем уровне так называемой поверочной схемы как раз стояли стандарты частоты.

В нашей стране самыми точными часами, превосходящими даже зарубежные аналоги, были механические часы Федченко, которые вплоть до 50–60-х годов использовались в качестве стандартов частоты. Затем появились кварцевые часы, и после кварцевых часов началась эра атомных стандартов частоты.

В атомных стандартах частоты используется концепция перехода между возбужденным и основным состоянием. Атомы обладают определенной энергетической структурой, и переход между компонентами этой структуры, собственно говоря, определяет часовой переход, который используется для определения единиц времени и частоты. Вплоть до недавнего времени такими переходами были переходы между компонентами в сверхтонкой структуре в атоме изотопа цезия-133. Вначале это были часы, которые обладали не очень-то высокой точностью, на уровне 10–11–10–12. Сейчас самые точные цезиевые часы обладают неопределенностью воспроизведения единиц времени/частоты на уровне полутора единиц 16-го знака.

Такой прорыв в точности стал возможен благодаря использованию так называемой техники лазерного охлаждения, когда с помощью лазеров атомы фактически замедляют свое движение и в итоге появляется возможность избавиться от так называемого эффекта Доплера. Ведь при комнатной температуре, если вспомнить курс физики средней школы, атомы испытывают броуновское движение, и скорость конкретно атомов цезия составляет порядка 300 метров в секунду, что соответствует приблизительно скорости звука в среде. Если атом движется с такой высокой скоростью, то возникает также известный из школьного курса физики эффект Доплера. Эффект заключается в том, что тон звука меняется, — когда приближается, допустим, сигналящий автомобиль, когда удаляется, мы видим изменение звука. Если возвратиться к цезиевому стандарту частоты, то конечность движения атомов приводит к весьма значительным поправкам к точности измерения частоты. И для того чтобы получить секунду в соответствии с определением, это соответствует переходам между компонентами в сверхтонкой структуре атома, который покоится, при отсутствии каких-либо внешних возмущений. Поэтому необходимо предпринять все усилия для того, чтобы снизить скорость движения атома.

Для этого использовалась концепция лазерного охлаждения, когда атом поглощает фотон, свет, переизлучает его и при этом тормозится.

Возникает вопрос: почему он тормозится? Потому что атом, поглощающий фотон, который движется ему навстречу, испытывает при поглощении импульс поглощения, он как бы отталкивает его слегка назад. После этого он переизлучает равновероятно во все стороны, и, казалось бы, в среднем ничего не должно измениться, но начальный импульс, который он получил при поглощении, остается нескомпенсированным. И, получая множество таких импульсов в сторону, противоположную движению, атом тормозится вплоть до полной остановки.

За эффект лазерного торможения и его приложения была получена Нобелевская премия по физике тремя авторами из Франции и Соединенных Штатов Америки, и на этом эффекте лазерного торможения и основаны все современные стандарты частоты в цезии. Для этого используется торможение в определенной точке пространства, вплоть до полной остановки, и далее с ним происходит манипуляция, как бы уже предполагая, что атом не испытывает никакого доплеровского сдвига. В результате точность, если утрировать, — конечно, существует много других эффектов — за счет уменьшения эффекта Доплера повысилась почти в 100 раз, и это послужило отправной точкой для разработки так называемых оптических стандартов частоты.

Оптические стандарты частоты отличаются частотой от микроволнового, каковым является цезиевый стандарт частоты. Частота оптического излучения составляет сотни и даже тысячи терагерцев, в отличие от гигагерцев, которые существуют в микроволновых стандартах частоты. И за счет того, что частота очень высокая, появляется возможность увеличения точности и стабильности воспроизведения этих величин — я имею в виду единицы времени и частоты. На словах это понятно, но был пройден достаточно долгий путь, для того чтобы оптические часы обладали бы той точностью, которой они сейчас обладают.

Самые точные оптические часы в настоящий момент времени обладают точностью на уровне двух единиц 18-го знака. Это часы, основанные на атомных переходах в атоме изотопа стронция-87, существуют сейчас уже в передовых лабораториях мира, в том числе разрабатываются в нашей стране во Всероссийском НИИ физико-технических и радиотехнических измерений, и запуск этих оптических часов состоится в конце 2015 года.

Кроме этого, существуют высокоточные часы на ионах алюминия, и, может быть, в отдаленной перспективе — часы, которые основаны на ядерных изомерных переходах в тории-229. Эти часы обладают длиной волны излучения 160 нанометров — это область излучения оптического диапазона вакуумного ультрафиолета. И перспективы этих часов таковы, что точность там будет заметно выше — на уровне 10–20. По разработке этих часов ведутся исследования в передовых странах мира, приблизительно в 10 лабораториях — в Соединенных Штатах Америки, в Германии, Франции, Австралии проводятся работы. И проводятся также работы и в нашей стране — это коллаборация Института физико-технических и радиотехнических измерений и МИФИ, и там получены достаточно интересные результаты с точки зрения подготовки атомов тория, для того чтобы они использовались в качестве часов.

Основная проблема в их создании заключается в том, что этот переход, который был обнаружен, не обладает достаточной точностью, чтобы его возбудить. Для этого нужно пройти очень большой диапазон по энергии, чтобы нащупать этот переход и осуществить возбуждение, считывание этого перехода. После этого будут созданы самые точные часы. Особенность этих часов заключается в том, что они нечувствительны к внешним возмущениям, поскольку эти часы ядерные. Переходы в ядрах, в отличие от переходов в атомах, отличаются тем, что атомы электронов напрочь экранируют воздействие внешних возмущений, прежде всего электромагнитного излучения, на переходы ядерные — это очень важно, и это резко повышает точность измерений.

Виталий Пальчиков