Атомные часы имеют решающее значение для повседневной жизни, поскольку они помогают нашим телекоммуникациям, электрическим сетям, системам GPS, транспорту и другим процессам по всему миру поддерживать точное время. Некоторые из этих часов используют лазеры и специальные резонаторы для измерения временных интервалов. Это одни из самых точных часов в мире и самые хрупкие.

Цезиевые атомные часы играют важную роль, поскольку определенный атомный переход, вызванный атомным цезием, используется для определения единицы времени: секунды СИ. Лаборатории Национального института стандартов и технологий (NIST) в Боулдере, штат Колорадо, десятилетиями хранили атомные часы, в том числе цезиевые атомные часы NIST-F1 , которые служат основным эталоном времени и частоты в США, поскольку исследователи продолжают совершенствовать точность часов благодаря передовым исследованиям. В частности, для цезиевых часов NIST-F1 этот процесс включал восстановление частей часов.

Часы NIST-F1 также называют «фонтанными часами» из-за фонтанообразного движения атомов цезия внутри часов, которые используются для измерения временных интервалов. Эти атомы цезия начинаются в специальной вакуумной камере, где шесть инфракрасных лазерных лучей собирают свободно летящие атомы в шар. Во время создания этого шара система охлаждается почти до абсолютного нуля (ноль Кельвина), чтобы замедлить движение атомов.

После охлаждения два вертикальных лазера подбрасывают шарик из атомов цезия по восходящей дуге («фонтан»), после чего все лазерные лучи отключаются. Цезиевый шар движется вверх примерно на метр в специальной полости, заполненной микроволнами, что может изменить некоторые атомы внутри шара. Затем мяч падает, и снова микроволновое поле может взаимодействовать с атомами, заставляя большее их количество изменять свое состояние. Окончательное состояние атомов определяется путем измерения флуоресценции измененных атомов, индуцированной другим лазерным лучом.

Весь процесс занимает около одной секунды и повторяется несколько раз, чтобы найти правильную частоту, которая возбуждает определенный часовой переход атомов цезия. Как только микроволновая частота найдена, при которой микроволновый сигнал, взаимодействующий с атомами цезия, заставит максимальное их количество изменить свое состояние (при максимальной флуоресценции), эта частота затем используется для определения секунды времени путем подсчета ровно 9 192 631 770 сигналов. периоды (найденные учеными) со счетчиком. Затем это определение применяется к другим часам для калибровки и точного хронометража.

Микроволновый резонатор является важной частью процесса хронометража, и исследователи из NIST надеялись повысить точность часов, перестроив резонатор целиком. «У нас были проблемы с предыдущей полостью часов, которые ограничивали точность часов», — объяснил ученый из NIST Владислав «Влади» Гергинов. «Одна из проблем была с материалом полости (алюминий)».

Поскольку атомные часы чрезвычайно чувствительны к несовершенствам формы резонатора, электропроводности и полировки, материалы резонатора должны быть изготовлены из правильного материала и иметь точную форму, размер и отделку для минимизации неточностей часов. «Одним из важнейших шагов в создании цезиевых часов является настройка частоты резонатора в соответствии с частотой перехода цезия», — объяснил производитель инструментов Кэлвин Швадрон из JILA (совместный институт NIST и Университета Колорадо в Боулдере). «Частота, на которой резонирует микроволновая печь, зависит от объема внутри нее».

Для этого исследователи опирались на экспертизу, найденную JILA. По словам Кертиса Беймборна, руководителя лаборатории метрологии и чистых помещений WM Keck в JILA, «качество резонатора (Q) очень важно для улучшения работы часов».

Чтобы увеличить добротность резонатора, Гергинов сотрудничал с машинным и инструментальным цехами JILA, используя инструментальный цех и чистую комнату для изготовления нового микроволнового резонатора из меди. «Полное сотрудничество в цеху невероятно редко, — заявил производитель инструментов JILA Адам Эллзи. — Мы все шестеро сидели с Влади во время консультаций по дизайну. На этапе изготовления мы все регулярно проверяем друг друга, чтобы Я уверен, что наши детали подходят друг к другу, а наши конструкции совпадают. Изготовление компонентов часов, которые станут национальным стандартом времени, — это большое дело, требующее серьезных размышлений. Было удивительно наблюдать, как мои коллеги-производители инструментов проявляют свой опыт. Я научился тонна».

Инструментальные мастерские JILA являются ключевым фактором в превращении JILA в уникальное исследовательское учреждение. По словам Кайла Тэтчер, главы инструментального цеха, «настоящая ценность инструментального цеха JILA заключается в том, что ученые получают возможность работать напрямую с производителями приборов для реализации своих экспериментальных устройств. Это означает, что с самого начала ученые могут сотрудничать в проектирование, проектирование, изготовление и тестирование их устройства с использованием обширных накопленных институциональных знаний магазина.Кроме того, политика открытых дверей магазина инструментов и нахождение в такой непосредственной близости [в здании в случае JILA] позволяет очень быстрая итеративная разработка, устранение неполадок, модификация устройства [и] ремонт».

Этот процесс тесного сотрудничества между учеными и производителями инструментов довольно редко можно встретить в большинстве исследовательских институтов, поскольку традиционно производители инструментов разрабатывают проекты, предоставленные учеными, с очень небольшим количеством изменений, как объяснила Тэтчер. В JILA сотрудничество между собственными магазинами и учеными позволяет создавать инструменты, изготовленные по индивидуальному заказу, которые больше нигде не найти. Сюда входят детали цезиевых часов NIST-F1.

«Инструментальный цех смог работать с Влади и его коллегой, чтобы помочь оптимизировать критически важные функции системы, включая выбор материалов, уменьшение количества компонентов, удобство обслуживания и проектирование для производства», — пояснила Тэтчер. «Однако более важным было то, что Влади смог установить свое испытательное оборудование от NIST в цехе, где он мог практически в режиме реального времени количественно оценить производительность изготавливаемых деталей, что позволило настроить производственные процессы на муха улучшает результаты».

Процесс создания новой полости включал множество различных этапов, в том числе непрерывный обмен мнениями между Гергиновым и машинистами по проектированию полости. После первоначальных испытаний нового медного резонатора добротность была примерно в три раза ниже, чем ожидалось, и Влади заподозрил, что причиной может быть обработка поверхности металла внутри резонатора, поскольку токи микроволновой частоты ограничены поверхностью металла. , вместо того, чтобы путешествовать сквозь объем [стены].

«Кальвин и Влади принесли его в лабораторию оптической метрологии, и я измерил для них шероховатость поверхности с помощью нашего оптического профилометра», — заявил Беймборн. «Конечно же, шероховатость была достаточно велика, чтобы все крошечные дефекты поверхности довольно сильно увеличивали расстояние, которое микроволновые токи проходили в резонаторе, что уменьшало добротность. После этого измерения Кальвин отполировал внутреннюю часть резонатора. и я считаю, что Влади сразу же увидел улучшение Q в два раза».

Благодаря тесному сотрудничеству NIST с JILA новый резонатор поможет вернуть в работу цезиевые часы NIST-F1. Как сказала Элизабет Донли, руководитель отдела времени и частоты NIST: « Обработка полостей в мастерской JILA была очень важной частью работы по возобновлению работы фонтана, и мы очень благодарны за это. Магазин JILA как ценный местный ресурс».

Когда часы запущены и работают, исследователи NIST могут продолжать работать над расширением границ физики атомных часов. «Часы будут использоваться в NIST для калибровки официальной шкалы времени NIST, а также других атомных часов и эталонов частоты», — добавил Гергинов.