JILA團隊演示了用于分配更準確的時間信號的模型系統(tǒng)

JILA的物理學家和合作者展示了第一個下一代“時標”，該系統(tǒng)整合了來自多個原子鐘的數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生單個高度精確的計時信號進行分配。JILA時標優(yōu)于現(xiàn)有的最佳中心，可以在全球范圍內(nèi)傳播官方時間，并可以為金融市場，計算機和電話網(wǎng)絡(luò)等數(shù)百萬客戶提供更準確的時間。

新穎的時標架構(gòu)將超可靠的高級原子鐘與用于存儲時間信號的超穩(wěn)定設(shè)備結(jié)合在一起，是《物理評論快報》中所述的“全球時標升級的藍圖”。

JILA由美國國家標準技術(shù)研究院(NIST)和科羅拉多大學博爾德分校聯(lián)合運營。

NIST / JILA研究員兼項目負責人Jun Jun表示：“我認為，這種新的時標演示對于將來重新定義時間非常重要。”

最近重新定義的國際單位制(SI)并沒有更新時間的計量方式。自1967年以來，第二時間的標準時間單位一直基于銫原子的性質(zhì)。在未來幾年，國際科學界有望重新定義第二時間，選擇一個新原子作為標準原子鐘和官方原子鐘的基礎(chǔ)。計時。

為了應對這種變化，研究人員需要升級系統(tǒng)以分配時間。

NIST使用美國的民用時間標度，一系列的氫微波激射器(微波版本的激光器)，提供可靠的振蕩信號，以維持美國官方的民用時間的穩(wěn)定“滴答”，這與國際時間(協(xié)調(diào)世界時或UTC)相關(guān))。兩個基于銫標準的原子鐘稱為NIST-F1和NIST-F2，用于校準并確保時標的準確性。

像下一代原子鐘一樣，JILA的實驗時標完全以光頻率工作，該頻率遠比銫時間標準的微波頻率高。光頻率將時間分成較小的單位，因此可以提供更高的精度。

由于微波激射器的固有特性以及與將其與間歇性運行的實驗時鐘相連接所引起的波動，將最新的光學原子鐘納入較舊的微波時間標度的努力已受到長期穩(wěn)定性的限制。

JILA團隊通過優(yōu)化更穩(wěn)定的振蕩器類型并嚴格控制工作條件(例如溫度)來解決這些問題，從而可以按需定期運行其高度穩(wěn)定且精確的鍶晶格時鐘。

振蕩器是由激光束形成的，該激光束對準由硅單晶制成的空腔，在該空腔中，特定顏色或頻率的激光像節(jié)拍器一樣長時間規(guī)則地來回彈跳。這些設(shè)備已經(jīng)存在多年了，但是JILA與德國國家計量學會Physikalisch-Technische Bundesanstalt(PTB)的長期合作提出了一種構(gòu)建它們的新方法，從而大大提高了光的穩(wěn)定性。最近，JILA團隊通過使用超級拋光光學器件和改進的熱控制等措施，進一步提高了其腔室的長期穩(wěn)定性，該腔室長21厘米，并在124 K(負149.15 C)的低溫下工作。

在JILA時標上，光頻率梳(光的尺子)將穩(wěn)定的光信號從該腔傳遞到另一個非常穩(wěn)定的激光器，該激光器照射在時鐘原子上，并使光的頻率與其滴答聲同步。將另外兩個激光器穩(wěn)定到獨立的腔中。多個激光器和腔體可提供冗余，以防萬一發(fā)生故障。

通過在大學校園內(nèi)的JILA與一英里左右的NIST之間預先存在的地下光纖鏈路，將振蕩器的穩(wěn)定性與NIST微波時間尺度的穩(wěn)定性進行了連續(xù)比較。經(jīng)過一個月的測量，在微波時間范圍內(nèi)，光振蕩器的頻率穩(wěn)定性始終超過微波激射器的頻率穩(wěn)定性。

實驗結(jié)果表明，即使通過下一代原子鐘校準了激射器，JILA時標體系結(jié)構(gòu)也優(yōu)于微波時標。該團隊的分析表明，通過運行JILA光學時鐘50%的時間，幾個月后，全光學時標可以達到比標準微波時標(1×10 -17)好10倍的穩(wěn)定度。平均。

另一個實際的優(yōu)點是，可以使用常規(guī)的微波分析技術(shù)來預測振蕩器的頻率，從而使團隊能夠在運行34天后估算出僅48±94皮秒(萬億分之一秒)的定時誤差。

計劃進行其他技術(shù)升級，包括使時鐘運行超過50%的時間的自動化。研究人員還計劃使用地下光纖網(wǎng)絡(luò)將光學時標信號合并到NIST時標中。