Оптический стандарт частоты станет мобильным
Российские ученые разрабатывают прототип мобильного оптического стандарта частоты (МОСЧ). Работы ведутся в Главном метрологическом центре Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли (ГМЦ ГСВЧ) во ВНИИФТРИ Росстандарта. Поскольку приборов такого класса в России пока нет, можно сказать, что это оптические стандарты частоты (ОСЧ) нового поколения, сообщает пресс-служба ВНИИФТРИ.
«Мобильный оптический стандарт частоты обеспечит функционирование деятельности ГСВЧ на современном техническом уровне, поскольку позволит проводить перспективные сличения шкал времени», — отметил заместитель руководителя Росстандарта Сергей Голубев.
Оптический стандарт частоты — это стандарт с использованием оптического перехода нейтральных атомов. По словам начальника Исследовательского центра квантовой метрологии ВНИИФТРИ Сергея Слюсарева, в основе ОСЧ со стабилизацией по холодным нейтральным атомам лежит перестраиваемый лазер, настроенный на резонанс с запрещенным переходом в атомном ансамбле. Излучение лазера резонансно возбуждает ансамбль атомов при низкой температуре, которая обеспечивается лазерным охлаждением атомов. Используется большое количество очень холодных атомов (104–106 атомов, охлажденных до температуры менее 10 мкК), которые сформированы в пространстве в стоячей оптической (световой) волне, поэтому между собой они не взаимодействуют (или взаимодействуют крайне слабо). Оптический переход, к которому привязывается внешний (в данном случае лазерный) источник, стабильно воспроизводит частоту во времени. По сравнению с другими стандартами оптический стандарт на холодных атомах стронция имеет наивысшую точность. Это совершенная метрологическая система, она была предложена Международным бюро мер и весов в качестве кандидата на переопределение секунды в Международной системе единиц (СИ).
«Одной из наиболее интригующих возможностей применения МОСЧ может стать детектирование темной материи — в будущем, — рассказал “Стимулу” Сергей Слюсарев. — ОСЧ обладают очень высокой точностью и стабильностью воспроизведения частоты. Если ОСЧ будут разнесены в космосе на различных носителях, то сдвиг между их показаниями может стать свидетельством перемещения фронта темной материи в пространстве».
Стандарты частоты и времени — одни из основных устройств, обеспечивающих формирование и воспроизведение физической единицы измерения времени и частоты. Оптический стандарт частоты — это сложная комплексная система, важную роль в которой играют применяемые методы управления состояниями атомов.
Сегодня самые точные стандарты частоты представляют собой приборы наземного базирования. В будущем, доработанные и усовершенствованные, такие стандарты могут быть установлены на борту космических станций. Разработка стандартов с высокими метрологическими характеристиками открывает новые возможности для развития глобальных навигационных систем, геодезии, гравитационно-волновой астрономии, а также для дальнейших исследований в прикладной и фундаментальной физике.
«Создание мобильного оптического стандарта частоты является амбициозной задачей для всего мирового научного сообщества в этой сфере. Такой стандарт даст мощный толчок к развитию комплексных навигационных систем, использующих не только сигналы космических аппаратов, но и данные о естественных полях Земли. Спутниковая система навигации не всегда точна, так как прохождение сигнала от спутника до приемника на Земле может искажаться в зависимости от состояния атмосферы и множества других факторов. Благодаря размещению ОСЧ в космосе станет возможным существенно повысить метрологические и функциональные характеристики существующих навигационных систем», — рассказал генеральный директор ВНИИФТРИ Росстандарта Сергей Донченко.
ВНИИФТРИ ведет непрерывную работу по модернизации и совершенствованию существующих ОСЧ. Новые разработки ученых института позволят существенно уменьшить размеры стандарта и сохранить характеристики нестабильности и точности частоты на уровне лучших стационарных установок (порядка 10–17–10–18). Сегодня ведущие научно-исследовательские центры мира ведут разработки подобных установок.
«В перспективе МОСЧ космического базирования поможет решать самые разные задачи, которые сегодня неразрешимы. Прибор расширит возможности исследования Земли и ее гравитационного поля, что позволит обнаруживать сейсмическую активность на раннем этапе и прогнозировать ее, а также наблюдать за изменениями ледяного покрова Земли и уровня Мирового океана. Высокоточные измерения гравитационного потенциала поверхности Земли могут стать источником для составления новых навигационных карт. Это обеспечит глобальность и значительно повысит помехозащищенность бортовых систем навигации. Новые возможности также будут использованы в фундаментальной и прикладной физике», — сказал главный научный сотрудник ГМЦ Виталий Пальчиков.
Во ВНИИФТРИ созданы и функционируют в составе ГСВЧ два оптических стандарта частоты на холодных атомах стронция. Стандарты частоты, разработанные в институте, участвуют в сличениях со стандартами частоты ведущих мировых метрологических центров, и в этих сличениях они показывают высокие характеристики точности и стабильности.
Сличения эталонов времени сегодня происходят с помощью применения оптоволоконных линий связи, возимых часов, через сигналы навигационных спутников. Мобильные оптические стандарты частоты нового поколения могут стать самым точным средством сличения шкал времени и обеспечить единство измерений во всем мире на более высоком уровне.
Оптические часы — идеальная метрологическая система для воспроизведения единицы частоты и сличения национальной шкалы времени. Россия традиционно находится в тройке стран — лидеров в сфере определения времени и частоты. Каждые сутки данные от российского эталона времени поступают в Международное бюро мер и весов для сличения: бюро сравнивает показатели эталона, хранящегося во ВНИИФТРИ, с показателями эталонов других стран, анализирует полученные результаты и каждый месяц предоставляет информацию о точности работы эталона и отличии национальной шкалы времени от шкалы, формируемой самим бюро.
«Поскольку оптический стандарт имеет очень высокую частоту, для того чтобы создать оптические часы, необходим передаточный элемент. Таким элементом является оптический синтезатор на основе фемтосекундного лазера (прибора, способного генерировать импульсы лазерного излучения, которые содержат достаточно малое число колебаний оптического поля), который был создан в 2001 году. Комбинация ОСЧ и оптического синтезатора и представляет собой оптические часы», — пояснил Сергей Слюсарев.
В интервью «Стимулу» руководитель ВНИИФТРИ Сергей Донченко уже рассказывал об оптических часах на холодных атомах стронция, а также о многих других уникальных разработках института.
ФГУП ВНИИФТРИ, Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, — один из ведущих национальных метрологических институтов России (Росстандарт). ВНИИФТРИ является важнейшим звеном в управлении национальной системой обеспечения единства измерений и выполняет задачи научно-технического обеспечения и развития метрологии как научной основы измерительной техники. Институт основан в 1955 году, в его состав входят Восточно-Сибирский (Иркутск), Дальневосточный (Хабаровск) и Камчатский (Петропавловск-Камчатский) филиалы. В 1994 году ВНИИФТРИ присвоен и регулярно подтверждается статус Государственного научного центра РФ.