Атомний годинник
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.
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 створили перший молекулярний годинник, що використовував молекули аміаку.
Одними з перших у світі[коли?] атомними годинниками були цезієві годинники Атоміхрон, виготовлені приватною компанією National Company, Inc. з Молдена, штат Массачусетс (США).
1955 року Луї Ессен[ru] із Національної фізичної лабораторії Великої Британії створив перший атомний годинник на цезії-133. Цей годинник накопичував похибку в одну секунду за мільйон років. Прилад отримав назву NBS-1 і його стали вважати цезієвим еталоном частоти[1].
1964 року Hewlett-Packard розробила компактний цезієвий прилад HP 5060A розміром із велику валізу. 2005 року Hewlett-Packard продала підрозділ, який розробляв атомні годинники, компанії Symmetricom[en].
У 2011 році фахівці «Лабораторії Дрейпера» і «Сандійських національних лабораторій» розробили, а компанія Symmetricom випустила перші мініатюрні атомні годинники Quantum[1].
Співробітники Національного інституту стандартів і технологій (NIST) влітку 2013 року оголосили про розробку годинника на основі атомів ітербію, який вдесятеро перевершив аналоги за точністю. На відміну від цезію, частота переходів в ітербії набагато вища, що й було застосовано дослідниками. Порівняння двох створених примірників дозволило встановити, що їх похибка становить 1,6 до 1018, — за один мільярд років ходу похибка складе одну секунду[2][ангажоване джерело].
Наприкінці 2013 року американська компанія Bathys Hawaii представила перший «наручний» атомний годинник. Як основний компонент в них використовується чип SA.45s виробництва компанії Symmetricom[1].
На початку 2014 року NIST ввів до ладу атомний годинник NIST-F2, який накопичує помилку в одну секунду протягом 300 мільйонів років. Новий годинник замінив NIST-F1 як стандарт цивільного часу й частот в США. Дані NIST-F2 надіслали до Міжнародного бюро мір і ваг, яке збирає дані атомних годинників світу для стандарту міжнародного атомного часу. Там NIST-F2 визнали одним із найточніших атомних годинників[3].
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.
У березні 2012 року вчені з Університету Нового Південного Уельсу, Технологічного Інституту Джорджії й Університету Невади[en] (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[4][5].
У вересні 2024 року міжнародна група дослідників під керівництвом вчених з JILA (США) представила важливий крок у створенні ядерного годинника. Згідно повідомлення в журналі Nature, в експерименті вчені використовували торій-229, атом якого має найнижчий енергетичний стрибок серед відомих елементів, що дало змогу застосувати ультрафіолетовий лазер замість рентгенівських променів[6][7].
- ↑ а б в Сверим часы. Краткая история появления атомных приборов измерения времени / Лента.ру, 11 апреля 2014, 10:45 [Архівовано 12 квітня 2014 у Wayback Machine.](рос.)
- ↑ N. Hinkley, J. A. Sherman, N. B. Phillips, M. Schioppo, N. D. Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, C. W. Oates, A. D. Ludlow (13 вересня 2013). An Atomic Clock with 10-18 Instability. Science. Т. 341, № 6151. с. 1215—1218. Архів оригіналу за 19 лютого 2014.(англ.)
- ↑ NIST Launches a New U.S. Time Standard: NIST-F2 Atomic Clock. NIST. 03 квітня 2014. Процитовано 3 жовтня 2023.
- ↑ Victor Flambaum, Bob Beale (08 березня 2012). Nuclear clock may keep time with the Universe (News). UNSW. Архів оригіналу за 13 квітня 2014. Процитовано 12 квітня 2014.
- ↑ C. J. Campbell, A. G. Radnaev, A. Kuzmich, V. A. Dzuba, V. V. Flambaum, A. Derevianko) (11 жовтня 2011). A Single-Ion Nuclear Clock for Metrology at the 19th Decimal Place. arXiv:1110.2490v1. Архів оригіналу за 29 липня 2016. Процитовано 12 квітня 2014.(англ.)
- ↑ Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock. // Chuankun Zhang, Tian Ooi, Jacob S. Higgins, Jack F. Doyle et al. Nature volume 633, pages63–70 (2024). Published: 04 September 2024
- ↑ Точніше атомних. Вчені зробили прорив у створенні ядерного годинника. 05.09.2024, 18:30
- Time Services FAQ. National Research Council Canada. Архів оригіналу за 24 липня 2012. Процитовано 2 жовтня 2023.
{{cite web}}: Проігноровано|chapter=(довідка)(англ.)(фр.) - 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 (PDF). Acta Physica Polonica A. 112 (5): 759 ff. Bibcode:2007AcPPA.112..759J. Архів оригіналу (PDF) за 7 січня 2021. Процитовано 30 вересня 2012.
| Базові концепції |  | ||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Вимірювання та еталони[en] | |||||||||||||||||
| Час у |
| ||||||||||||||||
| Філософія часу[en] | |||||||||||||||||
| Див. також | |||||||||||||||||