Снова гонка за создание самых маленьких в мире атомных часов

Sep 22, 2023

24 августа 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

надежный источник

корректура

Трой Раммлер, Sandia National Laboratories

Юань-Ю Джау пытается создать самые маленькие в мире атомные часы — устройство, которое измеряет время с чрезвычайной точностью. В случае успеха он и его команда в Сандии смогут изготовить изделие размером меньше кубика сахара.

Но он не единственный, кто расширяет возможности крошечных часов.

В прошлом году Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны поставило перед исследовательскими группами задачу создать меньшие по размеру и более точные часы. Юань-Ю возглавляет команду Сандиа, занимающуюся этой работой.

«Им нужен 1 кубический сантиметр для всего, и в настоящее время не существует атомных часов такого размера», — сказал Юань-Ю, чья конструкция ядра еще меньше — около 1 сантиметра в длину и всего 2 миллиметра в ширину и высоту, для грандиозного успеха. всего 0,04 кубических сантиметра. DARPA потребовало, чтобы устройства имели точность в пределах одной миллионной секунды через неделю.

Сандия имеет опыт создания компактных часов. В начале 2000-х годов лаборатория помогла разработать атомные часы в масштабе чипа, размер которых немного больше спичечного коробка, или около 17 кубических сантиметров. В то время CSAC были самыми маленькими атомными часами в мире и до сих пор остаются самыми маленькими, которые можно купить.

Атомные часы были изобретены в 1948 году в здании тогдашнего Национального бюро стандартов США, ныне Национального института стандартов и технологий. Вместо того, чтобы измерять время с помощью астрономических явлений, таких как вращение Земли, или с помощью механических средств, таких как шестерни, пружины или маятники, оно измеряло время с помощью электромагнитных сигналов, излучаемых электронами вокруг атома, что делало его невероятно точным.

Атомные часы проложили путь к GPS, которая опирается на сверхточные синхронизированные часы.

По иронии судьбы, DARPA сейчас исследует небольшие точные часы, которые помогут транспортным средствам ориентироваться, когда GPS недоступен. Это похоже на расчет расстояния, пройденного автомобилем на длинном участке шоссе. Если вы едете со скоростью 60 миль в час, вы знаете, что через час вы проехали 60 миль. Надежные часы — это половина дела.

Для оборонных приложений навигация должна быть чрезвычайно точной. DARPA ищет часы с точностью до миллионных долей секунды в течение недели. В то время как лучшие в мире часы — это большие машины, которые могут сохранять эту точность в течение десятков тысяч лет, карманные версии менее точны. Цель Сандиа и DARPA — добиться точности в 30 раз по сравнению с современными небольшими часами.

Агентство также требует улучшения энергопотребления и чувствительности к температуре и вибрации.

«Это гораздо сложнее, чем то, что люди делали до сих пор», — сказал Юань-Ю.

Уменьшение размера, веса и мощности упрощает установку передовых навигационных систем на различные виды транспортных средств — от военных кораблей до дронов и спутников.

Юань-Ю уверен, что он и его команда смогут создать это устройство. В каком-то смысле он уже это сделал.

Шестнадцать лет назад, будучи тогда преподавателем физики в Принстонском университете, он построил свой первый прототип того, что он назвал лазерным атомным генератором. Он был размером с ящик с инструментами, но выполнял те же основные действия, что и атомные часы. Он производил устойчивый, похожий на часы импульс, полученный в результате воздействия лазера на облако атомов калия.

Что немаловажно, оно было самостоятельным. Генератору не требовалось внешнее электронное оборудование для управления периодическим импульсом машины.

Вспомогательное оборудование распространено во многих типах атомных часов и обычно занимает большую часть места. Если вы удалите вспомогательную электронику из CSAC размером со спичечный коробок, вы обнаружите, что физическое тикание происходит в упаковке размером всего лишь с рисовое зернышко.