Созданы самые миниатюрные атомные часы

Современные атомные часы отслеживают время, подсчитывая колебания света, поглощаемого атомами цезия. Этот свет колеблется миллиарды раз в секунду. Теперь миниатюрная версия атомных часов, называемых оптическими часами, использует свет, настроенный на атомы рубидия, с колебаниями триллионы раз в секунду. Деление времени на такие короткие интервалы позволяет этим атомным часам сохранять время гораздо надежнее, чем другим, сообщают исследователи в издании Optica.

Обычно камера для атомов в основе оптических часов может иметь метр в поперечнике. Новые мини-оптические часы используют атомную камеру всего 3 миллиметра в поперечнике, установленную на кремниевом чипе. «Я был очень удивлен, что удалось изготовить оптические часы такого размера», — говорит Сильвио Коллер, который работал над оптическими часами в Национальном институте метрологии Германии в Брауншвейге.

«Маятник» внутри новых оптических часов — это лазер, настроенный на частоту около 385,285 терагерца, то есть свет колеблется 385,285 триллионов раз в секунду. Чтобы убедиться, что колебания лазера не выпадают из ритма, половина луча попадает в крошечную камеру атомов рубидия, которые поглощают свет именно на этой частоте. Наблюдение за тем, поглощают ли атомы рубидия свет, говорит лазеру, нужно ли ему немного набирать частоту вверх или вниз, чтобы точнее следить за временем.

Современная электроника на самом деле не может сосчитать все отдельные 385-терагерцевые импульсы этого лазера, потому что они слишком быстрые, говорит соавтор исследования Закари Ньюман, физик из Национального института стандартов и технологий в Боулдере.

Поэтому в оптических часах используются два компонента, называемые частотными гребнями, которые также установлены на крошечных чипах, для преобразования быстрых ударов лазера в более медленные счетные такты. Это работает аналогично тому, как набор шестерен может преобразовать быстрое вращение маленького диска в более медленное вращение большего.

Оптические часы в конечном итоге производили такты с частотой 22 гигагерца — примерно в два раза быстрее, чем у хронометров на основе цезия. Но поскольку гигагерцовые такты оптических часов основаны на гораздо более коротких, терагерцовых, они гораздо точнее, чем гигагерцовые такты цезиевых часов. Длительность каждой секунды, отсчитываемая оптическими часами, соответствовала друг другу, примерно до пяти триллионных долей секунды. Это примерно в 50 раз лучше, чем нынешние часы на основе цезия.

Несмотря на то, что новые оптические часы имеют значительно меньшие размеры по сравнению со своими предшественниками, они все еще не являются карманными часами. Атомная камера в виде чипа и частотные гребенки подключены к вспомогательной электронике, которая занимает много места. «В конечном итоге мы хотим, чтобы эта технология была по-настоящему портативной и работала от батареи», — говорят исследователи.

Z.L. Newman et al. Architecture for the photonic integration of an optical atomic clock. Optica. Vol. 6, May 20, 2019, p. 680. doi:10.1364/OPTICA.6.000680.