JILA團(tuán)隊演示了用于分配更準(zhǔn)確的時間信號的模型系統(tǒng)

JILA的物理學(xué)家和合作者展示了第一個下一代“時標(biāo)”，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(jìn)行分配。JILA時標(biāo)優(yōu)于現(xiàn)有的最佳中心，可以在全球范圍內(nèi)傳播官方時間，并可以為金融市場，計算機(jī)和電話網(wǎng)絡(luò)等數(shù)百萬客戶提供更準(zhǔn)確的時間。

新穎的時標(biāo)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(biāo)升級的藍(lán)圖”。

JILA由美國國家標(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。

NIST / JILA研究員兼項目負(fù)責(zé)人Jun Jun表示：“我認(rèn)為，這種新的時標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)時間單位一直基于銫原子的性質(zhì)。在未來幾年，國際科學(xué)界有望重新定義第二時間，選擇一個新原子作為標(biāo)準(zhǔn)原子鐘和官方原子鐘的基礎(chǔ)。計時。

為了應(yīng)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(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，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(biāo)準(zhǔn)的原子鐘稱為NIST-F1和NIST-F2，用于校準(zhǔn)并確保時標(biāo)的準(zhǔn)確性。

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

JILA團(tuán)隊通過優(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鐘。

振蕩器是由激光束形成的，該激光束對準(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(xué)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(tuán)隊通過使用超級拋光光學(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期穩(wěn)定性，該腔室長21厘米，并在124 K(負(fù)149.15 C)的低溫下工作。

在JILA時標(biāo)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(dú)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(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微波時間尺度的穩(wěn)定性進(jìn)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(zhǔn)了激射器，JILA時標(biāo)體系結(jié)構(gòu)也優(yōu)于微波時標(biāo)。該團(tuán)隊的分析表明，通過運(yùn)行JILA光學(xué)時鐘50%的時間，幾個月后，全光學(xué)時標(biāo)可以達(dá)到比標(biāo)準(zhǔn)微波時標(biāo)(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(yù)測振蕩器的頻率，從而使團(tuán)隊能夠在運(yùn)行34天后估算出僅48±94皮秒(萬億分之一秒)的定時誤差。

計劃進(jìn)行其他技術(shù)升級，包括使時鐘運(yùn)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(xué)時標(biāo)信號合并到NIST時標(biāo)中。