На вершине двух Гавайских гор NIST доказал ультра

Sep 14, 2023

Точное хронометрирование играет жизненно важную роль в синхронизации многочисленных систем по всему миру, от телекоммуникаций и сетей электропередач до прецизионного зондирования и научных исследований. Традиционно этот процесс достигается путем связи со спутниками, использующими атомные часы. Эти часы могут определять время, считывая резонансные частоты атомов определенных элементов, таких как цезий и рубидий.

Следующее поколение этой технологии, известное как оптические часы, использует преимущества элементов с более высокими резонансными частотами, таких как стронций и иттербий, и требует для измерений лазерных систем. Самое главное, что оптические часы обеспечивают гораздо более высокий уровень точности хронометража.

В этой статье рассматривается новый процесс, недавно разработанный Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) для синхронизации оптических часов без необходимости жертвовать точностью.

В прошлом году на горных вершинах Гавайских островов группа исследователей из НИСТ провела эксперимент по оптической передаче времени в надежде разработать надежный метод, который мог бы помочь крупномасштабным сетям свободного космоса соединить существующие наземные оптические часы с будущим космическим пространством. -оптические часы.

Исследователи разместили лазерный модуль на вулкане Мауна-Лоа и направили его на отражатель, расположенный на вершине Халеакала на острове Мауи. На расстояние около 150 километров ученые передали по воздуху чрезвычайно точный сигнал времени на уровнях мощности, которые могли бы быть совместимы с будущими космическими миссиями.

Исследователи предполагают, что эта система могла бы обеспечить передачу времени с наземных станций на спутники, расположенные на высоте 36 тысяч километров над Землей (на геосинхронной орбите), эффективно синхронизируя оптические часы с точностью до фемтосекунд (одна квадриллионная доля секунды). По данным NIST, это приведет к повышению точности примерно в 10 тысяч раз по сравнению с современными подходами. Кроме того, их система может работать, используя только минимальную мощность сигнала синхронизации, не теряя при этом точности, что делает ее очень надежной в смягчении атмосферных помех.

Синхронизация инструментов на огромных расстояниях с такой точностью открывает сокровищницу новых возможностей, особенно в области физики, открывая ученым путь к более глубокому пониманию структуры Вселенной. Например, этот метод может помочь в проверке общей теории относительности и даже дать представление о составе темной материи. Помимо оптических часов, соединение массивов датчиков, расположенных на больших расстояниях друг от друга, может улучшить интерферометрию со сверхдлинной базой (РСДБ), которую можно использовать для улучшения изображений черных дыр.

Метод NIST по соединению спутников с оптическими часами, расположенными на противоположных сторонах света, может переопределить секунду СИ до оптического стандарта, разделив ее на еще более мелкие части. Это возможно благодаря усовершенствованию, известному как частотная гребенка.

Гребенка частот — это открытие, получившее Нобелевскую премию, которое часто называют линейкой света, которая может генерировать очень точно разделенные длины волн, измеренные с высокой степенью точности. Используя эту технологию, ученые могут точно заряжать атомы в оптических часах и переводить терагерцовые частоты колебаний в более низкие.

Для своего эксперимента команда из NIST разработала улучшенную версию гребенки частот, получившую название «программируемая по времени гребенка частот». По словам Лоры Синклер, физика из кампуса NIST в Боулдере и одного из авторов статьи, этот метод нарушает правило частотных гребенок, которое требует использования фиксированного интервала между импульсами для точной работы, что позволяет ученым получать чрезвычайно точные результаты. результаты, даже если в системе мало света для работы.

Благодаря программируемой по времени гребенке частот исследователи смогли отправить сигнал из Мауна-Лоа в Халеакалу за 300 километров туда и обратно, используя всего 40 микроватт мощности и лишь минимальную мощность сигнала, необходимую для синхронизации устройств (известную как квантовый предел). . В этом эксперименте сигнал преодолел больше атмосферных возмущений, чем он когда-либо мог бы столкнуться при потенциальном путешествии с Земли на геостационарную орбиту.