Главное - точность

Ученые из Института лазерной физики СО РАН совместно с Национальным институтом стандартов и технологий США и французским исследовательским институтом Фемто-СТ представили новый способ уменьшения полевого сдвига в атомных часах. Статья об этом опубликована в августовском номере «Physical Review Applied». 

«Атомные часы — стандарты частоты и времени, — рассказывает один из авторов проекта, главный научный сотрудник ИЛФ СО РАН доктор физико-математических наук Валерий Иванович Юдин. — На сегодняшний день это самые точные приборы измерения времени. Если бы их запустили с момента образования Вселенной, то к сегодняшнему моменту отклонение было бы не больше, чем на доли секунды». 

Атомные часы используются на космических станциях, в навигации, в системах ГЛОНАСС и GPS, так что большое значение имеет их точность и стабильность. Но даже такое устройство неидеально —  существует небольшая погрешность.

«Например, — говорит Валерий Юдин, — системы ГЛОНАСС и GPS могут рассчитать позиционирование с точностью до нескольких метров. Прогресс в использовании атомных часов позволит сократить эту неопределенность до минимума, например до сантиметров и даже менее». 

Современные атомные часы имеют нестабильность от 10-16 до 10-18. Во многих случаях такую нестабильность провоцирует полевой сдвиг. Это результат воздействия электромагнитного поля. Его создает главный компонент атомных часов — локальный осциллятор (автогенератор электромагнитных колебаний). Он, помимо своей основной работы по созданию нужных частот в часах, формирует электромагнитные импульсы, которые смещают частоту колебаний в атомах. Один из главных вопросов — как стабилизировать атомные часы так, чтобы значительно уменьшить временную погрешность. 

В атомных часах исследователи часто используют лазер — именно он может генерировать частоты и излучение, влияющее на поведение полевого сдвига. Суть метода, предложенного учеными, в том, чтобы добавить к уже имеющемуся сдвигу так называемый антисдвиг. Они одинаковые по силе, но разные по знаку, и искусственный сдвиг уничтожает реальный. Также в работе использован принцип двух петель обратной связи. Петля обратной связи — кольцевая система причинно-связанных элементов, которые влияют друг на друга. На первой петле стабилизируется частота лазера, а на второй изначальный и искусственный сдвиги взаимно компенсируются. Для создания антисдвига ученые используют технические возможности лазера — программируют его таким образом, чтобы он «выстрелил» по атомным часам с дополнительным отрицательным частотным сдвигом. 

«Преимущество нового спектроскопического (основанного на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением) метода состоит в его простоте, — говорит Валерий Иванович Юдин, — и в том, что он цифровой. Так что мы сразу смогли посмотреть, как работают наши расчеты, просто введя нужные данные в лазер. Теперь дело за прикладной частью исследования: каким образом такой метод лучше применять. Этим будут заниматься как экспериментаторы в Институте лазерной физики СО РАН, так и американские и французские коллеги». 

Алена Гунько