Najpresnejšie hodiny na svete sú kvantové hodiny. Vývoj a aplikácie budúcich nanotechnológií: súčasné najnovšie nanotechnológie v medicíne a výrobe

Atómové hodiny sú najpresnejšie prístroje na meranie času, ktoré dnes existujú a stávajú sa čoraz obľúbenejšími vyššiu hodnotu s vývojom a komplexnosťou moderné technológie.

Princíp činnosti

Atómové hodiny udržujú presný čas nie vďaka rádioaktívnemu rozpadu, ako by ich názov mohol napovedať, ale pomocou vibrácií jadier a elektrónov, ktoré ich obklopujú. Ich frekvencia je určená hmotnosťou jadra, gravitáciou a elektrostatickým „vyvažovačom“ medzi kladne nabitým jadrom a elektrónmi. To celkom nezodpovedá bežnému hodinovému strojčeku. Atómové hodiny sú spoľahlivejšími strážcami času, pretože ich oscilácie sa nemenia v závislosti od týchto faktorov životné prostredie ako je vlhkosť, teplota alebo tlak.

Evolúcia atómových hodín

V priebehu rokov si vedci uvedomili, že atómy majú rezonančné frekvencie súvisiace so schopnosťou každého absorbovať a vyžarovať. elektromagnetická radiácia. V 30. a 40. rokoch 20. storočia boli vyvinuté vysokofrekvenčné komunikačné a radarové zariadenia, ktoré sa mohli prepojiť s rezonančnými frekvenciami atómov a molekúl. To prispelo k myšlienke hodiniek.

Prvé príklady postavil v roku 1949 Národný inštitút pre štandardy a technológie (NIST). Ako zdroj vibrácií bol použitý amoniak. Neboli však oveľa presnejšie ako existujúci časový štandard a v ďalšej generácii sa použilo cézium.

Nový štandard

Zmena v presnosti merania času bola taká veľká, že v roku 1967 Všeobecná konferencia pre váhy a miery definovala sekundu SI ako 9 192 631 770 vibrácií atómu cézia na jeho rezonančnej frekvencii. To znamenalo, že čas už nesúvisel s pohybom Zeme. Najstabilnejšie atómové hodiny na svete boli vytvorené v roku 1968 a až do 90. rokov sa používali ako súčasť časomiery NIST.

Vylepšovacie auto

Jedným z najnovších pokrokov v tejto oblasti je laserové chladenie. Tým sa zlepšil pomer signálu k šumu a znížila sa neistota v hodinovom signáli. Umiestnenie tohto chladiaceho systému a ďalších zariadení používaných na zlepšenie céziových hodín by si vyžadovalo priestor veľkosti železničného vagóna, hoci komerčné verzie by sa zmestili do kufra. Jedno z týchto laboratórnych zariadení sleduje čas v Boulder, Colorado, a je to najpresnejšie hodiny na Zemi. Mýlia sa len o 2 nanosekundy za deň alebo 1 sekundu za 1,4 milióna rokov.

Komplexná technológia

Táto obrovská presnosť je výsledkom komplexu technologický postup. Najprv sa tekuté cézium vloží do pece a zahrieva sa, kým sa nepremení na plyn. Atómy kovu vychádzajú vysokou rýchlosťou cez malý otvor v peci. Elektromagnety spôsobujú, že sa rozdelia na samostatné lúče s rôznymi energiami. Potrebný lúč prechádza otvorom v tvare U a atómy sú ožarované mikrovlnnou energiou s frekvenciou 9 192 631 770 Hz. Vďaka tomu sú vzrušené a prechádzajú do iného energetického stavu. Magnetické pole potom odfiltruje ostatné energetické stavy atómov.

Detektor reaguje na cézium a ukazuje maximum pri správnej hodnote frekvencie. Toto je potrebné na konfiguráciu kremenného oscilátora, ktorý riadi hodinový mechanizmus. Vydelením jeho frekvencie číslom 9.192.631.770 dostaneme jeden impulz za sekundu.

Nielen cezeň

Hoci najbežnejšie atómové hodiny využívajú vlastnosti cézia, existujú aj iné typy. Líšia sa použitým prvkom a prostriedkami na určenie zmien úrovne energie. Ďalšími materiálmi sú vodík a rubídium. Vodíkové atómové hodiny fungujú podobne ako céziové hodiny, vyžadujú však nádobu so stenami zo špeciálneho materiálu, ktorý bráni tomu, aby atómy príliš rýchlo strácali energiu. Najjednoduchšie a najkompaktnejšie sú hodinky Rubidium. V nich sklenená bunka naplnená rubídiovým plynom mení absorpciu svetla, keď je vystavená ultravysokej frekvencii.

Kto potrebuje presný čas?

Dnes sa čas dá merať s extrémnou presnosťou, ale prečo je to dôležité? To je potrebné v systémoch ako napr Mobilné telefóny, internet, GPS, letecké programy a digitálna televízia. Na prvý pohľad to nie je zrejmé.

Príkladom toho, ako sa používa presný čas, je synchronizácia paketov. Cez stredová čiara uskutočnia sa tisíce telefonátov. Je to možné len preto, že konverzácia sa neprenáša úplne. Telekomunikačná spoločnosť ho rozdelí na malé balíčky a niektoré informácie dokonca preskočí. Potom prechádzajú cez linku spolu s paketmi iných konverzácií a sú obnovené na druhom konci bez miešania. Časovací systém telefónnej ústredne dokáže určiť, ktoré pakety patria do danej konverzácie, podľa presného času odoslania informácie.

GPS

Ďalšou implementáciou presného času je globálny polohovací systém. Pozostáva z 24 satelitov, ktoré vysielajú svoje súradnice a čas. Dokáže sa k nim pripojiť akýkoľvek GPS prijímač a porovnávať vysielacie časy. Rozdiel umožňuje používateľovi určiť svoju polohu. Ak by tieto hodiny neboli veľmi presné, potom by systém GPS bol nepraktický a nespoľahlivý.

Hranica dokonalosti

S rozvojom technológie a atómových hodín boli nepresnosti vesmíru viditeľné. Zem sa pohybuje nerovnomerne, čo spôsobuje náhodné odchýlky v dĺžke rokov a dní. V minulosti by tieto zmeny zostali nepovšimnuté, pretože nástroje na meranie času boli príliš nepresné. Na frustráciu výskumníkov a vedcov sa však čas atómových hodín musí upraviť, aby sa kompenzovali anomálie v reálnom svete. Sú to úžasné nástroje, ktoré pomáhajú napredovať v moderných technológiách, no ich dokonalosť je obmedzená limitmi stanovenými samotnou prírodou.

Často počúvame frázu, že atómové hodiny vždy ukazujú presný čas. Ale z ich názvu je ťažké pochopiť, prečo sú atómové hodiny najpresnejšie alebo ako fungujú.

To, že názov obsahuje slovo „atómový“ neznamená, že hodinky predstavujú nebezpečenstvo pre život, aj keď myšlienky na atómovú bombu resp. jadrová elektráreň. V tomto prípade hovoríme len o princípe fungovania hodiniek. Ak je v norme mechanické hodinky oscilačné pohyby vykonávajú ozubené kolesá a ich pohyby sa počítajú, potom sa v atómových hodinách počítajú oscilácie elektrónov vo vnútri atómov. Aby sme lepšie pochopili princíp fungovania, spomeňme si na fyziku elementárnych častíc.

Všetky látky v našom svete sú tvorené atómami. Atómy sa skladajú z protónov, neutrónov a elektrónov. Protóny a neutróny sa navzájom spájajú a vytvárajú jadro, ktoré sa nazýva aj nukleón. Okolo jadra sa pohybujú elektróny, ktoré môžu mať rôznu energetickú hladinu. Najzaujímavejšie je, že pri absorpcii alebo uvoľnení energie sa elektrón môže pohybovať zo svojej energetickej hladiny na vyššiu alebo nižšiu. Elektrón môže získavať energiu z elektromagnetického žiarenia, pričom pri každom prechode absorbuje alebo vyžaruje elektromagnetické žiarenie určitej frekvencie.

Najčastejšie existujú hodinky, v ktorých sa na zmenu používajú atómy prvku Cézium -133. Ak za 1 sekundu kyvadlo bežné hodinky vykoná 1 kmitavý pohyb, potom elektróny v atómových hodinách na báze Cézia-133, pri prechode z jednej energetickej hladiny na druhú vyžarujú elektromagnetické žiarenie s frekvenciou 9192631770 Hz. Ukazuje sa, že jedna sekunda je rozdelená na presne tento počet intervalov, ak sa počíta v atómových hodinách. Táto hodnota bola oficiálne prijatá medzinárodným spoločenstvom v roku 1967. Predstavte si obrovský ciferník s nie 60, ale 9192631770 dielikmi, ktoré tvoria iba 1 sekundu. Nie je prekvapujúce, že atómové hodiny sú také presné a majú množstvo výhod: atómy nepodliehajú starnutiu, neopotrebúvajú sa a frekvencia kmitov bude pre jeden chemický prvok vždy rovnaká, vďaka čomu je možné synchrónne porovnávať napríklad údaje atómových hodín ďaleko vo vesmíre a na Zemi, bez obáv z chýb.

Vďaka atómovým hodinám si ľudstvo mohlo v praxi vyskúšať správnosť teórie relativity a presvedčiť sa, že je lepšia ako na Zemi. Atómové hodiny sú nainštalované na mnohých satelitoch a kozmická loď, slúžia na telekomunikačné potreby, na mobilnú komunikáciu a slúžia na porovnanie presného času na celej planéte. Bez preháňania to bolo vďaka vynálezu atómových hodín, že ľudstvo mohlo vstúpiť do éry špičkových technológií.

Ako fungujú atómové hodiny?

Cézium-133 sa zahrieva odparovaním atómov cézia, ktoré prechádzajú magnetickým poľom, kde sa vyberajú atómy s požadovanými energetickými stavmi.

Vybrané atómy potom prechádzajú magnetickým poľom s frekvenciou blízkou 9192631770 Hz, ktoré vytvára kremenný oscilátor. Atómy cézia vplyvom poľa opäť menia energetické stavy a padajú na detektor, ktorý zaznamenáva kedy najväčší počet prichádzajúce atómy budú mať „správny“ energetický stav. Maximálny počet atómov so zmeneným energetickým stavom naznačuje, že frekvencia mikrovlnného poľa je zvolená správne a potom sa jej hodnota privádza do elektronického zariadenia - frekvenčného deliča, ktorý po znížení frekvencie o celé číslo prijíma číslo 1, ktoré je referenčnou sekundou.

Na kontrolu správnosti frekvencie sa teda používajú atómy cézia magnetické pole, vytvorený kryštálovým oscilátorom, ktorý ho pomáha udržiavať na konštantnej hodnote.

Toto je zaujímavé: Hoci súčasné atómové hodiny sú bezprecedentne presné a dokážu bežať milióny rokov bez chýb, fyzici sa pri tom nezastavia. Použitie atómov rôznych chemické prvky, neustále pracujú na zlepšovaní presnosti atómových hodín. Medzi najnovšie vynálezy patria atómové hodiny stroncium, ktoré sú trikrát presnejšie ako ich céziový náprotivok. Na to, aby zaostali len o sekundu, budú potrebovať 15 miliárd rokov - čas presahujúci vek nášho vesmíru...

Ak nájdete chybu, zvýraznite časť textu a kliknite Ctrl+Enter.

Atómové hodiny

Ak hodnotíme presnosť quartzových hodín z pohľadu ich krátkodobej stability, tak treba povedať, že táto presnosť je oveľa vyššia ako u kyvadlových hodín, ktoré však pri dlhodobých meraniach vykazujú vyššiu stabilitu. V quartzových hodinkách je nepravidelný pohyb spôsobený zmenami vo vnútornej štruktúre kremeňa a nestabilitou elektronických systémov.

Hlavným zdrojom frekvenčnej nestability je starnutie kryštálu kremeňa synchronizujúceho frekvenciu oscilátora. Je pravda, že merania ukázali, že starnutie kryštálu sprevádzané zvýšením frekvencie prebieha bez veľkých výkyvov a náhle zmeny. Napriek tomu. Toto starnutie zhoršuje správnu činnosť quartzových hodiniek a vyžaduje pravidelné monitorovanie iným zariadením s oscilátorom, ktorý má stabilnú, nemennú frekvenčnú odozvu.

Rýchly rozvoj mikrovlnnej spektroskopie po druhej svetovej vojne otvoril nové možnosti pre presné meranie času prostredníctvom frekvencií zodpovedajúcich vhodným spektrálnym čiaram. Tieto frekvencie, ktoré možno považovať za frekvenčné štandardy, viedli k myšlienke použiť kvantový oscilátor ako časový štandard.

Toto rozhodnutie bolo historickým obratom v histórii chronometrie, pretože znamenalo nahradenie predtým platnej astronomickej jednotky času novou kvantovou jednotkou času. Táto nová časová jednotka bola zavedená ako perióda vyžarovania presne definovaných prechodov medzi energetickými hladinami molekúl niektorých špeciálne vybraných látok. Po intenzívnom výskume tohto problému v prvých povojnových rokoch sa podarilo zostrojiť zariadenie fungujúce na princípe riadenej absorpcie mikrovlnnej energie v kvapalnom amoniaku pri veľmi nízkych tlakoch. Prvé experimenty so zariadením vybaveným absorpčným prvkom však nepriniesli očakávané výsledky, keďže rozširovanie absorpčnej čiary spôsobené vzájomnými zrážkami molekúl sťažovalo určenie frekvencie samotného kvantového prechodu. Len metódou úzkeho zväzku voľne lietajúcich molekúl amoniaku v ZSSR A.M. Prochorov a N.G. Basovovi a v USA Townesovi z Kolumbijskej univerzity sa podarilo výrazne znížiť pravdepodobnosť vzájomných zrážok molekúl a prakticky eliminovať rozšírenie spektrálnej čiary. Za týchto okolností by už molekuly amoniaku mohli hrať úlohu atómového generátora. Úzky zväzok molekúl, uvoľnený cez dýzu do vákuového priestoru, prechádza cez nerovnomerné elektrostatické pole, v ktorom sú molekuly oddelené. Molekuly vo vyššom kvantovom stave smerovali do ladeného rezonátora, kde uvoľnili elektromagnetickú energiu s konštantnou frekvenciou 23 870 128 825 Hz. Táto frekvencia sa potom porovnáva s frekvenciou kremenného oscilátora zahrnutého v obvode atómových hodín. Na tomto princípe bol postavený prvý kvantový generátor, amoniakový maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

N.G. Basov, A.M. Prokhorov a Townes dostali v roku 1964 za tieto diela nobelová cena vo fyzike.

Stabilitu frekvencie masérov čpavku skúmali aj vedci zo Švajčiarska, Japonska, Nemecka, Veľkej Británie, Francúzska a v neposlednom rade aj z Československa. V období rokov 1968-1979. V Ústave rádiotechniky a elektroniky ČSAV bolo postavených a uvedených do skúšobnej prevádzky niekoľko čpavkových maserov, ktoré slúžili ako frekvenčné etalony na ukladanie presného času v atómových hodinách československej výroby. Dosiahli frekvenčnú stabilitu rádovo 10-10, čo zodpovedá denným odchýlkam 20 milióntin sekundy.

V súčasnosti sa štandardy atómovej frekvencie a času používajú najmä na dva hlavné účely – na meranie času a na kalibráciu a monitorovanie štandardov bazálnej frekvencie. V oboch prípadoch sa frekvencia generátora quartzových hodín porovnáva s frekvenciou atómového štandardu.

Pri meraní času sa pravidelne porovnáva frekvencia atómového štandardu a frekvencia generátora kryštálových hodín a na základe zistených odchýlok sa určí lineárna interpolácia a priemerná časová korekcia. Skutočný čas sa potom získa zo súčtu hodnôt quartzových hodín a tejto korekcie priemerného času. V tomto prípade je chyba vyplývajúca z interpolácie určená povahou starnutia kremenného kryštálu hodiniek.

Výnimočné výsledky dosiahnuté s atómovými časovými normami s chybou iba 1 s na tisíc rokov boli dôvodom, prečo bola na trinástej generálnej konferencii pre váhy a miery, ktorá sa konala v Paríži v októbri 1967, uvedená nová definícia jednotky času. - atómová sekunda, ktorá bola teraz definovaná ako 9 192 631 770 kmitov žiarenia atómu cézia-133.

Ako sme naznačili vyššie, ako kryštál kremeňa starne, frekvencia oscilácií kremenného oscilátora sa postupne zvyšuje a rozdiel medzi frekvenciami kremenného a atómového oscilátora sa neustále zvyšuje. Ak je krivka starnutia kryštálov správna, potom stačí korigovať vibrácie kremeňa len periodicky, aspoň v intervaloch niekoľkých dní. Týmto spôsobom nemusí byť atómový oscilátor trvalo spojený so systémom quartzových hodín, čo je veľmi výhodné, pretože prenikanie rušivých vplyvov do meracieho systému je obmedzené.

Švajčiarske atómové hodiny s dvoma molekulárnymi oscilátormi na báze amoniaku, predvedené na svetovej výstave v Bruseli v roku 1958, dosahovali presnosť stotisíciny sekundy za deň, čo je asi tisíckrát presnejšie ako presné kyvadlové hodiny. Táto presnosť už umožňuje študovať periodické nestability rýchlosti otáčania zemská os. Graf na obr. 39, čo je ako obrázok historický vývoj chronometrických prístrojov a zdokonaľovania metód merania času, ukazuje, ako sa takmer zázračne zvýšila presnosť merania času v priebehu niekoľkých storočí. Len za posledných 300 rokov sa táto presnosť zvýšila viac ako 100 000-krát.

Ryža. 39. Presnosť chronometrických prístrojov v období od roku 1930 do roku 1950.

Chemik Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) ako prvý objavil cézium, ktorého atómy sú za vhodne zvolených podmienok schopné pohlcovať elektromagnetické žiarenie s frekvenciou asi 9192 MHz. Túto vlastnosť využili Sherwood a McCracken na vytvorenie prvého rezonátora s céziovým lúčom. Zapnuté praktické využitie Céziový rezonátor na meranie frekvencií a času nasmeroval krátko nato jeho úsilie na L. Essena, pracujúceho v Národnom fyzikálnom laboratóriu v Anglicku. V spolupráci s astronomickou skupinou United States Nevel Observatory sa už v rokoch 1955-1958. určil frekvenciu kvantového prechodu cézia na 9 192 631 770 Hz a spojil ju s vtedy aktuálnou definíciou efemeridovej sekundy, čo oveľa neskôr, ako bolo uvedené vyššie, viedlo k zavedeniu novej definície jednotky času. Nasledujúce céziové rezonátory boli skonštruované v National Research Council of Canada v Ottawe, v laboratóriu Swiss des Researches Horlogeres v Neuchâtel atď. Prvý komerčný typ priemyselne vyrábaných atómových hodín bol uvedený na trh v roku 1956 pod názvom Atomichron firmou Americká spoločnosť National Company Walden“ v Massachusetts.

Zložitosť atómových hodín naznačuje, že použitie atómových oscilátorov je možné len v oblasti laboratórneho merania času vykonávaného pomocou veľkých meracích prístrojov. V skutočnosti to tak bolo až donedávna. Miniaturizácia však prenikla aj do tejto oblasti. Slávna japonská spoločnosť Seiko-Hattori, ktorá vyrába zložité chronografy s kryštálovými oscilátormi, ponúkla prvé atómové náramkové hodinky vyrobené opäť v spolupráci s americkou spoločnosťou McDonnell Douglas Astronautics Company. Táto spoločnosť vyrába aj miniatúrny palivový článok, ktorý je zdrojom energie pre spomínané hodinky. Elektrická energia v tomto prvku veľkosti 13? 6,4 mm produkuje rádioizotop promethium-147; Životnosť tohto prvku je päť rokov. Puzdro hodiniek vyrobené z tantalu a nehrdzavejúcej ocele je dostatočnou ochranou pred beta lúčmi prvku emitovanými do okolia.

Astronomické merania, štúdium pohybu planét vo vesmíre a rôzne rádioastronomické štúdie sa dnes nezaobídu bez znalosti presného času. Presnosť vyžadovaná od kremenných alebo atómových hodín sa v takýchto prípadoch pohybuje v rámci milióntin sekundy. S rastúcou presnosťou dodaných časových informácií narastali problémy so synchronizáciou hodín. Kedysi úplne vyhovujúci spôsob rádiového vysielania časových signálov na krátkych a dlhých vlnách sa ukázal ako nedostatočne presný na synchronizáciu dvoch blízko seba umiestnených časomerných zariadení s presnosťou väčšou ako 0,001 s a v súčasnosti už ani tento stupeň presnosti nie je dlhšie vyhovujúce.

Jeden z možné riešenia- doprava pomocných hodín na miesto porovnávacích meraní - zabezpečená miniaturizáciou elektronických prvkov. Začiatkom 60. rokov boli zostrojené špeciálne kremenné a atómové hodiny, ktoré bolo možné prepravovať v lietadlách. Dali sa prepravovať medzi astronomickými laboratóriami a zároveň poskytovali časové informácie s presnosťou na jednu milióntinu sekundy. Napríklad, keď sa v roku 1967 medzikontinentálne prepravovali miniatúrne céziové hodiny vyrábané kalifornskou firmou Hewlett-Packard, toto zariadenie prešlo 53 laboratóriami po celom svete (bolo aj v Československu) a s jeho pomocou sa miestne hodiny s presnosťou synchronizovali 0,1 us (0,0000001 s).

Komunikačné satelity možno použiť aj na mikrosekundové porovnania času. V roku 1962 túto metódu použili Veľká Británia a Spojené štáty americké, a to vysielaním časového signálu cez satelit Telestar. Oveľa priaznivejšie výsledky pri nižších nákladoch sa však dosiahli pri prenose signálov pomocou televíznej techniky.

Tento spôsob prenosu presného času a frekvencie pomocou televíznych hodinových impulzov bol vyvinutý a vyvinutý v československých vedeckých inštitúciách. Pomocným nosičom časovej informácie sú tu synchronizačné obrazové impulzy, ktoré nijako nerušia prenos televízneho programu. V tomto prípade nie je potrebné zavádzať do televízneho obrazového signálu žiadne dodatočné impulzy.

Podmienkou použitia tejto metódy je, aby na miestach porovnávaných hodín bolo možné prijímať rovnaký televízny program. Porovnávané hodiny sú vopred nastavené s presnosťou niekoľkých milisekúnd a meranie sa potom musí vykonávať na všetkých meracích staniciach súčasne. Okrem toho je potrebné poznať časový rozdiel potrebný na prenos synchronizačných impulzov zo spoločného zdroja, ktorým je televízny synchronizátor, do prijímačov v mieste porovnávaných hodín.