А́томний годи́нник (квантовий годинник) — пристрій для вимірювання часу, що використовує як стандарт частоту електронного переходу між енергетичними рівнями в атомах.
Роль «маятника» у ньому відіграють атоми. Частота випромінювання атомів при переході їх з одного енергетичного рівня на інший регулює хід атомного годинника. Ця частота настільки стабільна, що атомний годинник дозволяє вимірювати час точніше, ніж астрономічні методи.
З 1967 року міжнародна система одиниць SI визначає одну секунду як 9 192 631 770 періодів електромагнітного випромінювання при переходах між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133. Згідно з цим визначенням, атом цезію-133 є стандартом для вимірювань часу і частоти.
Історія атомного годинника
Ідею про можливість використання атомних коливань водню для вимірювання часу запропонував ще в 1879 році англійський фізик лорд Кельвін, однак тільки в середині XX століття це стало можливим.
У 1930-х роках американський фізик і першовідкривач ядерного магнітного резонансу Ісидор Рабі почав працювати над атомним годинником на цезії-133, однак початок війни завадив йому. Вже після війни, в 1949 році, в Національному комітеті стандартів США за участю Гарольда Лайонсона був створений перший молекулярний годинник, що використовував молекули аміаку.
Одними з перших у світі атомнимними годинниками були цезієві годинники Атоміхрон, виготовлені приватною компанією National Company, Inc. з Молдена, штат Массачусетс.
Пізніше, в 1955 році, Луї Ессен з Національної фізичної лабораторії у Великій Британії представив перший атомний годинник на цезії-133. Цей годинник накопичував похибку в одну секунду за мільйон років. Прилад отримав назву NBS-1 і став вважатися цезієвим еталоном частоти.
Hewlett-Packard стала першою компанією, яка зайнялася розробкою компактних атомних годинників. У 1964 році нею був створений цезієвий прилад HP 5060A розміром з велику валізу. Компанія і далі розвивала цей напрямок, але з 2005 року продала підрозділ компанії Symmetricom.
У 2011 році фахівці «Лабораторії Дрейпера» і «Сандійських національних лабораторій» розробили, а компанія Symmetricom випустила перші мініатюрні атомні годинники Quantum.
У березні 2012 року вчені з Університету Нового Південного Уельсу, Технологічного Інституту Джорджії й Університету Невади (Кемпбелл, Раднаєв, Кузьмич, Дзюба, Фламбаум, Дерев'янко) запропонували схему ядерного годинника, який перевершує за точністю сучасні аналоги на кілька порядків. Подібна схема в теорії дає похибку близько секунди за 14 мільярдів років. Для порівняння, час існування Всесвіту — 13,6 мільярда років.
Співробітники Національного інституту стандартів і технологій (NIST) Міністерства торгівлі США влітку 2013 року оголосили про розробку годинника на основі атомів ітербію, які вдесятеро перевершують всі існуючі аналоги за точністю. На відміну від цезію, частота переходів в ітербії набагато вище, що і було використано вченими при створенні рекордно точного годинника. Порівняння двох створених примірників дозволило встановити, що їх похибка становить 1,6 до 1018, — за один мільярд років ходу похибка складе одну секунду.
Наприкінці 2013 року американська компанія Bathys Hawaii представила перший «наручний» атомний годинник. Як основний компонент в них використовується чип SA.45s виробництва компанії Symmetricom.
3 квітня 2014 року NIST ввів у дію новий атомний годинник NIST-F2, який накопичує помилку в одну секунду протягом 300 мільйонів років. Згідно з повідомленням, новий годинник замінив застарілий атомний NIST-F1 і буде використовуватися як стандарт цивільного часу в США. Раніше дані про NIST-F2 були направлені до Міжнародного бюро мір і ваг у Парижі, яке визнало їх найточнішим працюючим атомним годинником у світі.
Принцип дії
В атомних годинниках застосовуються атоми, спектри яких мають надтонку структуру, що зумовлена розщепленням спектральних мультиплетів в магнітному полі ядра. Це магнітне поле однакове для кожного з атомів, а тому може бути стандартом. Газ із таких атомів поміщено в резонатор електромагнітних коливань, резонансних із частотою переходу між розщепленими лініями. Детектування оптичних переходів відбувається з використанням інтерферометрів з високою роздільною здатністю.
Див. також
Посилання
- Що таке цезієвий атомний годинник? [Архівовано 24 липня 2012 у Wayback Machine.]
- S.R. Jefferts, T.P. Heavner, T.E. Parker and J.H. Shirley (NIST Time and Frequency Division) (2007). NIST Cesium Fountains − Current Status and Future Prospects. Acta Physica Polonica A 112 (5): 759 ff. Bibcode:2007AcPPA.112..759J. Архів оригіналу за 7 січня 2021. Процитовано 30 вересня 2012.