JILA團(tuán)隊(duì)演示了用于分配更準(zhǔn)確的時(shí)間信號(hào)的模型系統(tǒng)

JILA的物理學(xué)家和合作者展示了第一個(gè)下一代“時(shí)標(biāo)”，該系統(tǒng)整合了來自多個(gè)原子鐘的數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生單個(gè)高度精確的計(jì)時(shí)信號(hào)進(jìn)行分配。JILA時(shí)標(biāo)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(shí)間，并可以為金融市場(chǎng)，計(jì)算機(jī)和電話網(wǎng)絡(luò)等數(shù)百萬客戶提供更準(zhǔn)確的時(shí)間。

新穎的時(shí)標(biāo)架構(gòu)將超可靠的高級(jí)原子鐘與用于存儲(chǔ)時(shí)間信號(hào)的超穩(wěn)定設(shè)備結(jié)合在一起，是《物理評(píng)論快報(bào)》中所述的“全球時(shí)標(biāo)升級(jí)的藍(lán)圖”。

JILA由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)和科羅拉多大學(xué)博爾德分校聯(lián)合運(yùn)營(yíng)。

NIST / JILA研究員兼項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Jun Jun表示：“我認(rèn)為，這種新的時(shí)標(biāo)演示對(duì)于將來重新定義時(shí)間非常重要。”

最近重新定義的國(guó)際單位制(SI)并沒有更新時(shí)間的計(jì)量方式。自1967年以來，第二時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間單位一直基于銫原子的性質(zhì)。在未來幾年，國(guó)際科學(xué)界有望重新定義第二時(shí)間，選擇一個(gè)新原子作為標(biāo)準(zhǔn)原子鐘和官方原子鐘的基礎(chǔ)。計(jì)時(shí)。

為了應(yīng)對(duì)這種變化，研究人員需要升級(jí)系統(tǒng)以分配時(shí)間。

NIST使用美國(guó)的民用時(shí)間標(biāo)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(hào)，以維持美國(guó)官方的民用時(shí)間的穩(wěn)定“滴答”，這與國(guó)際時(shí)間(協(xié)調(diào)世界時(shí)或UTC)相關(guān))。兩個(gè)基于銫標(biāo)準(zhǔn)的原子鐘稱為NIST-F1和NIST-F2，用于校準(zhǔn)并確保時(shí)標(biāo)的準(zhǔn)確性。

像下一代原子鐘一樣，JILA的實(shí)驗(yàn)時(shí)標(biāo)完全以光頻率工作，該頻率遠(yuǎn)比銫時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的微波頻率高。光頻率將時(shí)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(yùn)行的實(shí)驗(yàn)時(shí)鐘相連接所引起的波動(dòng)，將最新的光學(xué)原子鐘納入較舊的微波時(shí)間標(biāo)度的努力已受到長(zhǎng)期穩(wěn)定性的限制。

JILA團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化更穩(wěn)定的振蕩器類型并嚴(yán)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(yùn)行其高度穩(wěn)定且精確的鍶晶格時(shí)鐘。

振蕩器是由激光束形成的，該激光束對(duì)準(zhǔn)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(zhǎng)時(shí)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(guó)國(guó)家計(jì)量學(xué)會(huì)Physikalisch-Technische Bundesanstalt(PTB)的長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)通過使用超級(jí)拋光光學(xué)器件和改進(jìn)的熱控制等措施，進(jìn)一步提高了其腔室的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，該腔室長(zhǎng)21厘米，并在124 K(負(fù)149.15 C)的低溫下工作。

在JILA時(shí)標(biāo)上，光頻率梳(光的尺子)將穩(wěn)定的光信號(hào)從該腔傳遞到另一個(gè)非常穩(wěn)定的激光器，該激光器照射在時(shí)鐘原子上，并使光的頻率與其滴答聲同步。將另外兩個(gè)激光器穩(wěn)定到獨(dú)立的腔中。多個(gè)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(xué)校園內(nèi)的JILA與一英里左右的NIST之間預(yù)先存在的地下光纖鏈路，將振蕩器的穩(wěn)定性與NIST微波時(shí)間尺度的穩(wěn)定性進(jìn)行了連續(xù)比較。經(jīng)過一個(gè)月的測(cè)量，在微波時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使通過下一代原子鐘校準(zhǔn)了激射器，JILA時(shí)標(biāo)體系結(jié)構(gòu)也優(yōu)于微波時(shí)標(biāo)。該團(tuán)隊(duì)的分析表明，通過運(yùn)行JILA光學(xué)時(shí)鐘50%的時(shí)間，幾個(gè)月后，全光學(xué)時(shí)標(biāo)可以達(dá)到比標(biāo)準(zhǔn)微波時(shí)標(biāo)(1×10 -17)好10倍的穩(wěn)定度。平均。

另一個(gè)實(shí)際的優(yōu)點(diǎn)是，可以使用常規(guī)的微波分析技術(shù)來預(yù)測(cè)振蕩器的頻率，從而使團(tuán)隊(duì)能夠在運(yùn)行34天后估算出僅48±94皮秒(萬億分之一秒)的定時(shí)誤差。

計(jì)劃進(jìn)行其他技術(shù)升級(jí)，包括使時(shí)鐘運(yùn)行超過50%的時(shí)間的自動(dòng)化。研究人員還計(jì)劃使用地下光纖網(wǎng)絡(luò)將光學(xué)時(shí)標(biāo)信號(hào)合并到NIST時(shí)標(biāo)中。