Навремето атомните часовници направиха възможни системите за сателитна навигация като GPS, които разчитат на изключително прецизно синхронизирани часовници.

Но сега човечеството е изправено пред по-скоро противоположната задача: искаме да осигурим точна навигация по терена без GPS, а за това се нуждаем от още по-точни атомни часовници, отколкото за работата на GPS. Знаейки скоростта и посоката на всеки обект, новото поколение часовници ще осигури позициониране с точност до метър/сантиметър (в зависимост от тяхната точност, както и от точността на другите сензори). Като цяло основната задача сега е да се реши проблемът със зависимостта от сателитната навигация, която не винаги е достъпна.

Как работят атомните часовници

Първият атомен часовник е създаден през 1949 г. в Националното бюро по стандартизация на САЩ, сега Национален институт по стандартизация и технологии (NIST). Това е напълно нов принцип на измерване на времето. Анахроничните механизми от миналото измерваха астрономическите явления, въртенето на Земята и използваха механични пружини, зъбни колела и махала. За разлика от тях атомните часовници измерват времето чрез електромагнитни сигнали, излъчвани от електроните около атома. Когато електронът променя енергийното си ниво, той поглъща или излъчва светлина с честота, която е еднаква за всички атоми на даден елемент.

Така например преходът между две свръхтънки нива на цезий-133 произвежда точно 9 192 631 770 периода на електромагнитно излъчване ( честотни колебания). Това е стойността, която сега е приета в системата SI като определение за „секунда“.

Оптичните атомни часовници отчитат времето с помощта на лазер, който е настроен на тази честота и записва колебанията на честотата по време на енергийните преходи. Това ги прави изключително точни в сравнение с техните предшественици. Понастоящем оптичните часовници са обещаваща и активна област на научни изследвания.

Точността на часовниците до голяма степен се дължи на качеството на лазера. Ето защо големите, обемисти научни инсталации осигуряват много по-добра точност от преносимите часовници с наличните в търговската мрежа масово произвеждани лазери.

Атомните часовници са изключително полезни и в космоса. Пример за такъв експеримент е атомният часовник в дълбокия космос на НАСА, който през 2019-2021 г. тества технологията в орбита. В бъдеще тези устройства могат да намерят приложение в търсенето на тъмна материя, откриването на гравитационни аномалии, навигацията и други.

Тъй като времето е неотменно свойство на пространството, един максимално точен и надежден атомен часовник е почти незаменим инструмент в космоса. Само той може да осигури независима автономна навигация в дълбокия космос.

Очевидно е, че изследването на дълбокия космос от човечеството е възможно само с помощта на автономни роботизирани системи. Няма смисъл да се изпращат хора на мисия с продължителност хиляди или милиони години, тъй като това с над един порядък усложнява конструкцията на кораба.

От това следва, че контактите с кораби на извънземни цивилизации е много вероятно да започнат с контакти с роботизирани разузнавателни сонди.

Новият конкурс за най-малкия атомен часовник

Миналата година DARPA обяви конкурс за създаване на по-малък и по-точен атомен часовник и в него веднага се включиха екипи от физици и инженери от различни университети и изследователски лаборатории.

Програмата H6 на DARPA призовава за създаването на „свръхмалък, енергийно ефективен, годен за употреба часовник, способен да поддържа микросекундна точност в продължение на една седмица в работен диапазон от -40 до +85 °C без GPS синхронизация„. Всъщност такава точност отдавна е постижима в големите лабораторни машини. Те не излизат от интервала 0,000001 s от десетки хиляди години.

Миналата година физици от Университета на Уисконсин в Медисън разработиха свръхпрецизен часовник, който губи по една секунда на всеки 300 милиарда години ( преизчислено в по-стандартни стойности). Това е и първият в света „мултиплексен“ часовник, който комбинира шест различни импулсни осцилатора, за да сравнява стойностите им и да открива аномалии.

По очевидни причини (качество на лазера и т.н.) преносимите устройства са много по-непрецизни от лабораторното оборудване, никой все още няма подобни показатели там.

В предишните векове точният хронометър е бил важен за определяне на географската дължина в навигацията, но днес сериозен проблем в PNT (позициониране, навигация и синхронизация) е загубата на GPS сигнала. Благодарение на миниатюрните и изключително точни атомни часовници в някои приложения на PNT има възможност да се изостави GPS за периоди от дни или седмици.

Конкурсът на DARPA се състои от три етапа. В първия участниците ще решават проблеми, свързани със зависимостта на тактовата честота от температурата и с намаляването на SwaP (размер – тегло – консумация на енергия). Във втория те ще решават проблемите с надеждността на тактовия генератор, както и с неговата ефективност в определен температурен диапазон. В третата част участниците ще демонстрират напълно интегриран часовник от тактически клас и ще изработят и представят пет образеца на такъв часовник.

Прототипът на Sandia

На първия етап екип от изследователи от Sandia National Laboratories представи прототип с размери 10×2×2 mm, т.е. само 0,04 cm³.

Индиево-галиевият нитрид (InGaN) е полупроводников материал, състоящ се от смес на галиев нитрид (GaN) и индиев нитрид (InN). Широчината на неговата забранена зона може да се регулира чрез промяна на количеството индий в сплавта. Съотношението In/Ga обикновено е от 0,02/0,98 до 0,3/0,7.

InGaN се използва като светлоизлъчващ слой в съвременните сини и зелени светодиоди.

Новият лазерен атомен осцилатор на Sandia генерира стабилен тактов импулс в резултат на излъчването на лазер през облак от цезиеви атоми.

Изключително важно е, че той работи много добре в автономен режим и не е необходимо външно електронно оборудване за управление на периодичните импулси на осцилатора. Факт е обаче, че в съществуващите днес устройства от подобен род спомагателният хардуер заема по-голямата част от пространството. Така например в преносимия часовник CSAC (вж. по-долу) физическото генериране на импулсите се извършва на площ в обем от милиметри. Всичко останало е управляващата електроника.

Първоначалното финансиране по програмата на DARPA е за две години с възможност за допълнително финансиране, след като бъдат изпълнени критериите за размер и ефективност.

Sandia има дълга история в разработването на атомни часовници. В началото на 2000 г. те участваха в разработването на Chip Scale Atomic Clock (CSAC), който е с размер около 17 cm³, което може да се сравни с кибритена кутийка със стандартен размер (15 cm³). По това време CSAC стана най-малкият атомен часовник в света и все още е най-малкият часовник в публичното пространство (който може да бъде закупен на пазара за около 2537-8061 долара, в зависимост от размера на партидата и модела на чипа.

Така че при миниатюрните атомни часовници историята в известен смисъл се повтаря: нов конкурс от DARPA – и Sandia отново е тук.

Според DARPA новият ръчен атомен часовник трябва да бъде по-малък от показания на снимката, да консумира по-малко енергия и да бъде около 30 пъти по-точен. Освен това има повишени изисквания за температурния диапазон и устойчивостта на вибрации.

Забележка: двойка от най-точните атомни часовници, разположени на височина няколко милиметра един от друг, показват различни резултати, защото пространство-времето се деформира в гравитационното поле, точно както е предвидил Айнщайн. По-конкретно, на разстояние 1 mm между горната и долната част на оптична решетка от 100 000 стронциеви атома в определена структура за 92 часа се регистрира разминаване във времето от 0,0000000000000000001 s, дължащо се на гравитационната разлика.

Аналогични резултати са получени от учени от Университета на Уисконсин в Медисън в научна статия от месец август 2023 г. На илюстрацията е показана разликата във времето в зависимост от височината (z). Конкретно в този експеримент учените са определили вертикалното разстояние между часовниците (в двойните стрелки) по показанията на часовниците. Всички стойности са в сантиметри, като за най-ниския (петия) часовник е приета нулева височина:

И не само това. Японски учени за пореден път експериментално доказаха Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн. Използвани са свръхточни атомни часовници, разположени в основата и на върха на най-високата телевизионна кула на планетата – Tokyo Skytree. Изследователите публикуваха получените резултати във вид на научна работа в списанието Nature Photonics. По този начин те провериха и за пореден път експериментално доказаха Теорията на относителността с помощта на най-високата телевизионна кула в света с височина 634 метра.

А докато учените изследват свойствата на най-различни нови материали за миниатюризация, ентусиасти вече направиха първия в света атомен, може да се каже ръчен часовник.

Да обърнем внимание, че ако сте виждали някъде в продажба „атомен часовник“, той вероятно е фалшив, тъй като квантови сензори с такъв размер все още не съществуват. Най-вероятно това е обикновен кварцов часовник с честота 60 Hz, който просто периодично се синхронизира с източник на сигнал. И навярно получава данни от истински атомен часовник.

Истински ръчен атомен часовник вероятно ще започне да се продава няколко години след приключването на конкурса на DARPA. Най-малкото, ако сензорите на Sandia с размери 10×2×2 mm влязат в обръщение и бъдат интегрирани в мобилно устройство с ниска консумация на енергия, можем да очакваме ръчен часовник от потребителски клас с цена от около няколко хиляди долара.