新方法可以启用便携式原子钟

来自麻省理工学院和德珀实验室的研究人员已经开发出一种新的原子计时方法，可以实现更稳定和准确的便携式原子钟。

现在是几奌？答案，无论您的初始参考如何，都可以 - 手表，智能手机或闹钟 - 将始终追溯到原子钟。

国际时间的时间标准由原子钟 - 房间尺寸的设备，通过测量真空中原子的自然振动来保持时间。原子振动的频率决定了一个第二信息的长度，该信息被向上传输到GPS卫星，该信息将数据流流到世界各地的地接收器，同步蜂窝和有线网络，电网和其他分布式系统。

现在，麻省理工学院和德珀实验室的一群人提出了一种新的原子计时方法，可以实现更稳定和准确的便携式原子钟，可能是魔方的立方体的大小。本集团在“物理审查”期刊中概述了其方法。

虽然芯片大小的原子钟（CSACs）是商业上可用的，但研究人员表示这些低功耗器件 - 关于火柴盒的大小 - 随着时间的推移漂移，并且比喷泉时钟更加准确，更大的原子钟，设置了世界的更大的原子钟标准。然而，虽然喷泉时钟是最精确的计时器，但不能在不失稳定性的情况下进行便携。

“你可以把一个放在一个拾取的卡车或拖车上，然后带着你，但我猜这对道路上的颠簸不会很好地达成很好的事情，”研究生克里兰科特鲁联合作用麻省理工学院航空航天部门。“我们有一条脚踏实实地的，强大的时钟，比CSACS更好，比CSAC在几个数量级，更稳定的时间越来越稳定。”

KOTRU说这样的便携式稳定的原子钟在GPS信号可以丢失的环境中是有用的，例如水下或室内，以及在线上“敌对环境”，其中信号干扰可以阻挡传统的导航系统。

本文的共同作者包括Justin Brown，David Butts，Joseph Kinast和Richard Stoner的Draper实验室。

随着时间的推移

该团队通过对标准方法进行几“调整”来提出新的原子计时方法。

今天最准确的原子钟使用铯原子作为参考。与所有原子一样，铯原子具有符号频率或谐振，其振荡。自20世纪60年代以来，一秒钟被定义为两个能级之间的铯原子的9,192,631,770振荡。为了测量这种频率，喷泉时钟将小云的慢速移动铯原子高几英尺高，就像脉冲喷泉一样，并通过微波梁通过微波束来测量它们的振荡。

代替微波束，该组选择使用激光束探测原子的振荡，这更容易在空间上控制并且需要更少的空间 - 一种有助于收缩原子时钟装置的质量。虽然一些原子钟也采用激光束，但它们经常遭受称为“交流速度移位”的效果，其中曝光到电场，例如由激光产生的电场，可以移动原子的谐振频率。这种转变可以脱离原子钟的准确性。

“这真的很糟糕，因为我们相信原子参考，”Kotru说。“如果那是以某种方式扰乱，我不知道我的低质量手表是错误的，还是如果原子实际上是错误的。”

为了避免这个问题，大多数标准喷泉时钟都使用微波束而不是激光。然而，Kotru和他的团队寻找使用激光束的方法，同时避免交流速度。

保持时间，在微缩中

在基于激光的原子时钟中，激光束以固定的频率和强度输送。Kotru的团队代替尝试了一种更具不同的方法，称为拉曼绝热的快速通道，施加改变强度和频率的激光脉冲 - 一种技术在核磁共振光谱中也用于渗透分子中的探针特征。

“对于我们的方法，我们打开激光脉冲并调制其强度，逐渐将其转动然后关闭，我们采取激光的频率并在窄范围内扫过它，”Kotru解释说。“只是通过做这两件事，你对这些系统效果的敏感程度不那么敏感，如斯塔克班。”

事实上，与传统的基于激光的系统相比，该组的发现抑制了新的计时系统抑制了100系数100倍。与射出原子超过米以上的喷泉时钟，为了测量单一的秒，该团队的装置间隔为10毫秒的时间间隔 - 比喷泉时钟更低的方法，但更紧凑。

“那很好，因为我们没有试图使世界的标准 - 我们试图制作一个适合的东西，例如魔方的立方体，并在一天或一周内保持稳定，”Kotru说。

他说，系统的稳定性和准确性应与当今GPS卫星上的微波型原子钟相媲美，这是庞大且昂贵的。

进一步逐步，该团队测试了系统对物理力量的响应。“让我们说一天我们足够小，所以你可以把它放在你的背包里或在你的车里，”Kotru说。“在你穿过地面时，它能够运作很重要。”

只需在物理上摇动系统，本集团“在原子和激光束之间产生了位移”，当探测原子云时，将激光束从一侧移动到侧面。即使在这种模拟摇动下，该系统也能够测量原子的谐振频率，具有高度灵敏度。

该团队现在正致力于减少系统的其他组件的大小，包括真空室和电子产品。

“额外的小型化可能最终导致手持设备，比现在可用的紧凑型原子钟更好地具有稳定性的数量级，”Kotru说。“这样的设备将满足对更技术性密集型应用的要求，如电信网络的同步。”

这项研究由德珀实验室赞助。

出版物：Krish Kotru等，“鲁莽的Ramsey序列与拉曼绝热快速通过”，物理。2014年11月10日，Rev. A 90,053611; DOI：10.1103 / physreva.90.053611

图像：克里斯汀·丹尼尔洛夫（Christine Daniloff）