Ученые из Национальной физической лаборатории Великобритании представили компактную версию атомных часов, сохранившую высочайшую точность. Новое устройство имеет размеры всего 5% от стандартных часов подобного типа и достаточно мало для того, чтобы его можно было переносить вручную. Благодаря этому миниатюрные часы не уступают в точности своим громоздким лабораторным предшественникам. Их погрешность настолько мала, что они могут отстать или уйти вперед лишь на одну секунду за невообразимо огромный срок — десятки миллионов лет.
Инновация команды NPL заключается в фундаментальном упрощении и радикальной миниатюризации классической схемы фонтанных атомных часов. В традиционных высокоточных установках этого типа охлаждённые лазерами атомы, подобно струе фонтана, медленно подбрасываются вертикально вверх и под действием силы тяжести дважды — на подъёме и на спуске — проходят через микроволновый резонатор. Этот долгий, контролируемый «полёт» обеспечивает исключительно продолжительное время взаимодействия атомов с излучением, что и является залогом высочайшей стабильности.
Ключевым прорывом британских физиков стало устранение двух громоздких и сложных модулей: отдельной камеры для измерения финального квантового состояния атомов и специального резонатора для их предварительной селекции (подготовки). В новой компактной конструкции обе эти задачи решаются прямо в объёме основной камеры охлаждения и захвата атомов. Для этого в неё через коаксиально-волноводный переход направляется микроволновое излучение строго определённой частоты, создающее бегущую волну, которая и выполняет функцию селекции состояний.
Кроме того, разработчики значительно упростили оптическую систему и магнитный экран, а также широко использовали коммерчески доступные компоненты, что сделало часы более практичными в эксплуатации и обслуживании. Высота устройства составляет около 80 сантиметров, а его вакуумная система в 20 раз меньше, чем у стандартных моделей. По словам руководителя исследования доктора Сэма Уолби, эта разработка выводит технологию сверхточного хронометража за стены национальных лабораторий, открывая новые возможности для создания устойчивой инфраструктуры и систем навигации следующего поколения.
Как отмечают создатели, миниатюрные часы могут служить высокостабильным резервным устройством, поддерживающим точность хронометража с ошибкой менее двух наносекунд в месяц. Это делает их критически важными для обеспечения работы национальных систем позиционирования, навигации и синхронизации времени в условиях растущих рисков, связанных со сбоями спутниковых систем и кибератаками.
Результаты работы были опубликованы в журнале Applied Physics Letters.