Сотрудники Лаборатории стандартов частоты ФИАН работают над созданием малогабаритных атомных часов нового поколения. В частности, в настоящее время разработан миниатюрный квантовый дискриминатор – «сердце» будущих высокостабильных атомных часов. Несмотря на малый объем квантового дискриминатора – не более 10 см³ – создающиеся в ФИАНе атомные часы будут настолько точны, что за сутки накопят отклонение всего лишь в одну миллионную часть секунды.

Относительная нестабильность одних из самых точных в мире атомных стандартов частоты и времени (цезиевых фонтанов) достигает 10^-16. Такие часы задают время в национальных метрологических лабораториях. Часы с более низкой точностью – 10^-13 -обеспечивают точное измерение времени на навигационных спутниках, например, на спутниках систем GPS и ГЛОНАСС. В большинстве массовых применений на Земле столь высокая точность не нужна, достаточно 10^-11 – 10^-9. Так, прецизионные кварцевые генераторы, производимые в настоящее время, имеют относительную долговременную нестабильность частоты около 10^-9 – 10^-10 за сутки. Традиционные рубидиевые стандарты с объемом порядка тысячи кубических сантиметров, а весом – до килограммов, обладают нестабильностью выходной частоты 10^-12.

Физики из ФИАНа (к.ф.-м.н Владимир Величанский, н.с. Виталий Васильев, к.ф.-м.н Сергей Зибров и аспиранты Ольга Козлова и Александр Сивак) в сотрудничестве с Институтом лазерной физики СО РАН (а конкретно, теоретиками д.ф.-м.н В.И. Юдиным и д.ф.-м.н В.А. Тайченачевым) разрабатывают атомные часы нового поколения с относительной нестабильностью 10^-11, сочетая ее с миниатюрностью прибора. «Маятником» разрабатываемых часов является атом цезия, в котором взаимная ориентация моментов ядра и электрона меняется примерно 10 миллиардов раз в секунду. Такие часы рассчитаны на массовое применение и заменят прецизионные кварцевые генераторы, по крайней мере, на порядок превосходя их по долговременной стабильности при меньшем объеме и энергопотреблении. Ожидается, что объем часов не будет превышать 50 см³, а необходимая для потребления мощность – 0,3 Вт.

Собранный в ФИАНе прототип квантового дискриминатора объёмом 10 см³

На габариты атомных стандартов частоты и времени предыдущего поколения накладывалось ограничение, определяемое длиной волны резонансного СВЧ-поля, взаимодействующего с атомной средой. Поэтому создать прибор с характерными размерами меньше нескольких сантиметров до недавнего времени считалось невозможным. Однако благодаря открытию в 70-х годах эффекта когерентного пленения населенностей (КПН, Coherent population trapping) и разработке миниатюрных диодных лазеров, только в настоящее время эти ограничения удалось устранить. Теперь вместо зондирования метрологического резонанса атомов оптическим и СВЧ полем, используют два оптических поля, и необходимость в громоздком СВЧ резонаторе отпала. Это и открыло путь к миниатюризации, – поясняет научный сотрудник лаборатории Стандартов частоты Виталий Васильев.

Для оптического возбуждения теперь вместо газоразрядных ламп используются миниатюрные лазеры, что позволяет без ухудшения характеристик в десятки раз уменьшить габариты атомных стандартов с относительной нестабильностью около 10^-11, сократить их энергопотребление и стоимость. Это позволит встраивать атомные часы в портативные устройства, – говорит аспирант Александр Сивак.

Область весьма актуальна – разработка подобных атомных часов активно ведется также в США, Франции, Китае, Израиле, Канаде, Швейцарии.

Наука интернациональна и данный проект подтверждает это особенно наглядно. В Италии обнаружили КПН эффект, в Канаде первыми осуществили чисто оптическое зондирование СВЧ резонанса, мы в ФИАНе в 91 году первыми применили высококогерентные полупроводниковые лазеры для регистрации эффекта, в Германии продемонстрировали возможность использования самого миниатюрного типа полупроводниковых лазеров – лазеров с вертикальным резонатором. Уже в этом веке Национальный Институт Стандартов и Технологии (США) и мощные компании (Honeywell, Symmetricom, Kernko) приступили к разработке технологии для массового производства малогабаритных атомных часов. Мы пока отстаем от США в технологии изготовления атомных часов, поэтому именно в данном направлении сейчас сосредоточены основные наши усилия. Что касается физики эффекта, то наши работы выполнены на мировом уровне, – рассказывает ведущий научный сотрудник Лаборатории стандартов частоты Владимир Величанский.

Одновременно с разработкой соответствующей компактной электронной схемы в ФИАНе работают над дальнейшим уменьшением объема дискриминатора и над новыми технологиями создания его основных узлов. Завершение опытно-конструкторской разработки запланировано на 2012 год, после чего одна из российских компаний приступит к организации в России серийного производства точных и малогабаритных атомных часов. Серийно выпускаемый и доступный прибор позволит значительно увеличить быстродействие потребительских навигационных устройств, развить помехозащищенную широкополосную связь, применить новые методы локации и многое другое.