октомври 17, 2023

Атомните ръчни часовници са все по-близо. Определяне на координатите без GPS

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

Прототип на атомен часовник на CSIC от 2004 г., източник. За съжаление истинското устройство с управляващата електроника се оказа много по-масивно

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.

Deep Space Atomic Clock, художествена визуализация на НАСА

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.

Монтирането на атомния часовник Deep Space Atomic Clock на сателит на НАСА

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.

Гравитационното червено отместване в миниатюрна мрежа от часовници върху оптична решетка

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.

Иглените сонди подават ток от 2 mA към зелен лазерен диод от индий-галиев нитрид (InGaN), който Sandia разработва за следващо поколение квантови сензори. При този ток диодът произвежда почти 1 mW монохроматично лъчение с дължина на вълната 894 nm

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.

Тестване на прототип на атомен часовник в лаборатория Sandia Microsystems Engineering, Science and Applications

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.

Моделът CSAC-SA45S с обем на корпуса 17 cm³ и тегло 35 грама

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.

Гравитационно червено отместване и разликата в показанията на синхронните часовници на разстояние 1 мм, източник: Nature

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.

За изчисляване на универсалното координирано време (UTC) се използват осреднените показания на 450 атомни часовника от 80 държави

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.


source

Сподели: