Сердце миниатюрных атомных часов

В Лаборатории стандартов частоты Физического института РАН разработан миниатюрный квантовый дискриминатор – «сердце» высокостабильных малогабаритных атомных часов нового поколения.

Несмотря на малый объём квантового дискриминатора (не более 10 куб.см), атомные часы будут настолько точны, что за сутки накопят отклонение всего лишь в одну миллионную долю секунды.

Относительная нестабильность одних из самых точных в мире атомных стандартов частоты и времени (цезиевые фонтаны) достигает 10-16 . Такие часы задают время в национальных метрологических лабораториях. Часы с более низкой точностью (10-13 ) обеспечивают точное измерение времени на навигационных спутниках систем GPS и ГЛОНАСС. Однако в большинстве случаев массового применения не нужна и такая точность. Например, у выпускаемых сегодня прецизионных кварцевых генераторов относительная нестабильность частоты составляет около 10-9 – 10-10 за сутки. Традиционные рубидиевые стандарты с объёмом порядка 1000 куб.см и весом до нескольких килограммов, обладают нестабильностью выходной частоты 10-12 .

Сотрудники ФИАН вместе с коллегами-теоретиками из Института лазерной физики СО РАН работают над созданием атомных часов нового поколения с относительной нестабильностью 10-11 . «Маятник» разрабатываемых часов – атом цезия, в котором взаимная ориентация моментов ядра и электрона меняется примерно 10 миллиардов раз в секунду. Такие часы рассчитаны на массовое применение. Они заменят прецизионные кварцевые генераторы, по крайней мере, на порядок превосходя их по долговременной стабильности при меньшем объёме и энергопотреблении. Ожидается, что объём часов не будет превышать 50 куб.см, а необходимая для потребления мощность – 0,3 Вт.

На габариты атомных стандартов частоты и времени предыдущего поколения накладывалось ограничение, определяемое длиной волны резонансного СВЧ поля, взаимодействующего с атомной средой. Поэтому создать прибор с характерными размерами меньше нескольких сантиметров до недавнего времени считалось невозможным. Несмотря на то, что ещё в 1970-х годах был открыт так называемый эффект когерентного пленения населённостей (КПН) и разработаны миниатюрные диодные лазеры, только в настоящее время размерные ограничения удалось устранить. «Теперь вместо зондирования метрологического резонанса атомов оптическим и СВЧ полем, используют два оптических поля, и необходимость в громоздком СВЧ резонаторе отпала. Это и открыло путь к миниатюризации», – объясняет научный сотрудник лаборатории Стандартов частоты Виталий Васильев.

Для оптического возбуждения теперь вместо газоразрядных ламп используются миниатюрные лазеры, что позволяет без ухудшения характеристик в десятки раз уменьшить габариты атомных стандартов с относительной нестабильностью около 10-11 , сократить их энергопотребление и стоимость. Это позволит встраивать атомные часы в портативные устройства.

Над созданием малогабаритных атомных часов активно работают учёные США, Франции, Китая, Израиля, Канады и Швейцарии. «Мы пока отстаём от США в технологии изготовления атомных часов, поэтому именно в данном направлении сейчас сосредоточены наши основные усилия. Что касается физики эффекта, то наши работы выполнены на мировом уровне», - говорит ведущий научный сотрудник Лаборатории стандартов частоты Владимир Величанский.

Одновременно с разработкой соответствующей компактной электронной схемы в ФИАНе работают над новыми технологиями создания основных узлов дискриминатора и дальнейшим уменьшением его объёма. Завершение опытно-конструкторской разработки запланировано на 2012 год, после чего одна из российских компаний приступит к организации в России серийного производства точных и малогабаритных атомных часов. Ожидается, что серийно выпускаемый доступный прибор значительно увеличит быстродействие потребительских навигационных устройств, получат развитие помехозащищённая широкополосная связь, новые методы локации и многое другое.