Атомните ръчни часовници са все по-близо. Определяне на координатите без GPS
Навремето атомните часовници направиха вероятни системите за сателитна навигация като GPS, които разчитат на извънредно точно синхронизирани часовници.
Но в този момент човечеството е изправено пред по-скоро противоположната задача: желаеме да осигурим точна навигация по терена без GPS, а за това се нуждаем от още по-точни атомни часовници, в сравнение с за работата на GPS. Знаейки скоростта и посоката на всеки обект, новото потомство часовници ще обезпечи позициониране с акуратност до метър/сантиметър (в взаимозависимост от тяхната акуратност, както и от точността на другите сензори). Като цяло главната задача в този момент е да се реши казусът със зависимостта от сателитната навигация, която не постоянно е налична.
Как работят атомните часовници
Първият атомен часовник е основан през 1949 година в Националното бюро по стандартизация на Съединени американски щати, в този момент Национален институт по стандартизация и технологии (NIST). Това е изцяло нов принцип на премерване на времето. Анахроничните механизми от предишното измерваха астрономическите феномени, въртенето на Земята и използваха механични пружини, зъбни колела и махала. За разлика от тях атомните часовници мерят времето посредством електромагнитни сигнали, предавани от електроните към атома. Когато електронът трансформира енергийното си равнище, той гълтам или излъчва светлина с периодичност, която е идентична за всички атоми на даден детайл.
Така да вземем за пример преходът сред две свръхтънки равнища на цезий-133 създава тъкмо 9 192 631 770 интервала на електромагнитно лъчение ( честотни колебания). Това е цената, която в този момент е призната в системата SI като определение за „ секунда “.
Оптичните атомни часовници регистрират времето благодарение на лазер, който е надъхан на тази периодичност и записва съмненията на честотата по време на енергийните преходи. Това ги прави извънредно точни спрямо техните прародители. Понастоящем оптичните часовници са обещаваща и дейна област на научни проучвания.
Точността на часовниците значително се дължи на качеството на лазера. Ето за какво огромните, обемисти научни съоръжения обезпечават доста по-добра акуратност от портативните часовници с наличните в комерсиалната мрежа всеобщо създавани лазери.
Атомните часовници са извънредно потребни и в космоса. Пример за подобен опит е атомният часовник в дълбокия космос на НАСА, който през 2019-2021 година тества технологията в орбита. В бъдеще тези устройства могат да намерят приложение в търсенето на тъмна материя, откриването на гравитационни аномалии, навигацията и други.
Тъй като времето е неотменно свойство на пространството, един оптимално прецизен и благонадежден атомен часовник е съвсем незаместим инструмент в космоса. Само той може да обезпечи самостоятелна самостоятелна навигация в дълбокия космос.
Очевидно е, че проучването на дълбокия космос от човечеството е допустимо единствено благодарение на самостоятелни роботизирани системи. Няма смисъл да се изпращат хора на задача с дълготрайност хиляди или милиони години, защото това с над един порядък усложнява структурата на кораба.
От това следва, че контактите с кораби на извънземни цивилизации е доста евентуално да стартират с контакти с роботизирани разследващи сонди.
Новият конкурс за най-малкия атомен часовник
Миналата година DARPA разгласи конкурс за основаване на по-малък и по-точен атомен часовник и в него незабавно се включиха екипи от физици и инженери от разнообразни университети и проучвателен лаборатории.
Програмата H6 на DARPA приканва за основаването на „ свръхмалък, енергийно ефикасен, кадърен за приложимост часовник, кадърен да поддържа микросекундна акуратност в продължение на една седмица в работен диапазон от -40 до +85 °C без GPS синхронизация„. Всъщност такава акуратност от дълго време е постижима в огромните лабораторни машини. Те не излизат от интервала 0,000001 s от десетки хиляди години.
Миналата година физици от Университета на Уисконсин в Медисън създадоха свръхпрецизен часовник, който губи по една секунда на всеки 300 милиарда години ( преизчислено в по-стандартни стойности). Това е и първият в света „ мултиплексен “ часовник, който комбинира шест разнообразни импулсни осцилатора, с цел да съпоставя стойностите им и да открива аномалии.
По явни аргументи (качество на лазера и т.н.) портативните устройства са доста по-непрецизни от лабораторното съоръжение, никой към момента няма сходни индикатори там.
В предходните епохи точният хронометър е бил значим за установяване на географската дължина в навигацията, само че през днешния ден сериозен проблем в PNT (позициониране, навигация и синхронизация) е загубата на GPS сигнала. Благодарение на дребните и извънредно точни атомни часовници в някои приложения на PNT има опция да се изостави GPS за интервали от дни или седмици.
Конкурсът на DARPA се състои от три стадия. В първия участниците ще вземат решение проблеми, свързани със зависимостта на тактовата периодичност от температурата и с намаляването на SwaP (размер – тегло – консумация на енергия). Във втория те ще вземат решение проблемите с надеждността на тактовия генератор, както и с неговата успеваемост в избран температурен диапазон. В третата част участниците ще показват изцяло интегриран часовник от тактически клас и ще изработят и показват пет образеца на подобен часовник.
Прототипът на Sandia
На първия стадий екип от откриватели от Sandia National Laboratories показа първообраз с размери 10×2×2 mm, т.е. единствено 0,04 cm³.
Индиево-галиевият нитрид (InGaN) е полупроводников материал, състоящ се от примес на галиев нитрид (GaN) и индиев нитрид (InN). Широчината на неговата неразрешена зона може да се контролира посредством смяна на количеството индий в сплавта. Съотношението In/Ga нормално е от 0,02/0,98 до 0,3/0,7.
InGaN се употребява като светлоизлъчващ пласт в актуалните сини и зелени светодиоди.
Новият лазерен атомен осцилатор на Sandia генерира постоянен тактов подтик вследствие на излъчването на лазер през облак от цезиеви атоми.
Изключително значимо е, че той работи доста добре в самостоятелен режим и не е належащо външно електронно съоръжение за ръководство на периодическите импулси на осцилатора. Факт е обаче, че в съществуващите през днешния ден устройства от сходен жанр спомагателният хардуер заема по-голямата част от пространството. Така да вземем за пример в портативния часовник CSAC (вж. по-долу) физическото генериране на импулсите се прави на повърхност в размер от милиметри. Всичко останало е ръководещата електроника.
Първоначалното финансиране по програмата на DARPA е за две години с опция за в допълнение финансиране, откакто бъдат изпълнени критериите за размер и успеваемост.
Sandia има дълга история в създаването на атомни часовници. В началото на 2000 година те участваха в създаването на Chip Scale Atomic Clock (CSAC), който е с размер към 17 cm³, което може да се съпостави с кибритена кутийка със общоприет размер (15 cm³). По това време CSAC стана най-малкият атомен часовник в света и към момента е най-малкият часовник в общественото пространство (който може да бъде закупен на пазара за към 2537-8061 $, според от размера на партидата и модела на чипа.
Така че при дребните атомни часовници историята в прочут смисъл се повтаря: нов конкурс от DARPA – и Sandia още веднъж е тук.
Според DARPA новият ръчен атомен часовник би трябвало да бъде по-малък от показания на фотографията, да употребява по-малко сила и да бъде към 30 пъти по-точен. Освен това има нараснали условия за температурния диапазон и устойчивостта на трептения.
Забележка: двойка от най-точните атомни часовници, ситуирани на височина няколко милиметра един от различен, демонстрират разнообразни резултати, тъй като пространство-времето се деформира в гравитационното поле, тъкмо както е планувал Айнщайн. По-конкретно, на разстояние 1 mm сред горната и долната част на оптична решетка от 100 000 стронциеви атома в избрана конструкция за 92 часа се записва разминаване във времето от 0,0000000000000000001 s, дължащо се на гравитационната разлика.
Аналогични резултати са получени от учени от Университета на Уисконсин в Медисън в научна публикация от месец август 2023 година На илюстрацията е показана разликата във времето според от височината (z). Конкретно в този опит учените са определили отвесното разстояние сред часовниците (в двойните стрелки) по показанията на часовниците. Всички стойности са в сантиметри, като за най-ниския (петия) часовник е призната нулева височина:
И освен това. Японски учени за следващ път пробно потвърдиха Общата доктрина на относителността на Алберт Айнщайн. Използвани са свръхточни атомни часовници, ситуирани в основата и на върха на най-високата телевизионна кула на планетата – Tokyo Skytree. Изследователите разгласиха получените резултати във тип на научна работа в списанието Nature Photonics. По този метод те ревизираха и за следващ път пробно потвърдиха Теорията на относителността благодарение на най-високата телевизионна кула в света с височина 634 метра.
А до момента в който учените изследват свойствата на най-различни нови материали за миниатюризация, запалянковци към този момент направиха първия в света атомен, може да се каже ръчен часовник.
Да обърнем внимание, че в случай че сте виждали някъде в продажба „ атомен часовник “, той евентуално е подправен, защото квантови датчици с подобен размер към момента не съществуват. Най-вероятно това е елементарен кварцов часовник с периодичност 60 Hz, който просто от време на време се синхронизира с източник на сигнал. И вероятно получава данни от същински атомен часовник.
Истински ръчен атомен часовник евентуално ще стартира да се продава няколко години след приключването на състезанието на DARPA. Най-малкото, в случай че датчиците на Sandia с размери 10×2×2 mm влязат в послание и бъдат интегрирани в мобилно устройство с ниска консумация на сила, можем да чакаме ръчен часовник от потребителски клас с цена от към няколко хиляди $.
