JILA -team demonstrerer modelsystem til distribution af mere præcise tidssignaler

JILA-fysikere og samarbejdspartnere har demonstreret den første næste generations "tidsskala"-et system, der inkorporerer data fra flere atomure for at producere et enkelt meget præcist tidtagesignal til distribution. JILA -tidsskalaen overgår de bedste eksisterende hubs til formidling af officiel tid på verdensplan og giver mulighed for at give mere præcis tid til millioner af kunder, såsom finansielle markeder og computer- og telefonnetværk.

Den nye tidsskalaarkitektur kombinerer en super-pålidelig, avanceret atomur med en ultrastabil enhed til lagring af tidssignaler og er en "blueprint til opgradering af tidsskalaer verden over, "som beskrevet i journalen Fysisk gennemgangsbreve .

JILA drives i fællesskab af National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder.

"Jeg tror, ​​at denne nye tidsskala -demonstration vil være meget vigtig for omdefinitionen af ​​tid i fremtiden, "sagde Jun Ye, NIST/JILA stipendiat og projektleder.

Den nylige omdefinering af International System of Units (SI) opdaterede ikke måden, hvorpå tiden måles. Standard tidsenhed, Sekundet, har været baseret på egenskaberne af cæsiumatomet siden 1967. I de kommende år har det internationale videnskabelige samfund forventes at omdefinere det andet, at vælge et nyt atom som grundlag for standard atomure og officiel tidtagning.

For at forberede denne ændring, forskere skal opgradere systemer til distribution af tid.

NIST driver landets civile tidsskalaer, arrays af brintmasere - mikrobølgeversioner af lasere - der giver pålidelige oscillerende signaler for at opretholde stabil "tikkende" for det officielle amerikanske civile tidspunkt på dagen, som er knyttet til international tid (koordineret universel tid eller UTC). To atomure baseret på cæsiumstandarden, kaldet NIST-F1 og NIST-F2, bruges til at kalibrere og sikre nøjagtigheden af ​​tidsskalaerne.

Ligesom næste generations atomure, JILAs eksperimentelle tidsskala fungerer udelukkende ved optiske frekvenser, som er meget højere end mikrobølgefrekvenserne for cæsiumtidsstandarder. Optiske frekvenser deler tiden i mindre enheder og kan dermed tilbyde større nøjagtighed.

Bestræbelser på at indarbejde de nyeste optiske atomure i ældre mikrobølge tidsskalaer er løbet ind i grænser for langsigtet stabilitet, på grund af de iboende egenskaber ved masere og de udsving, der er forbundet med at koble dem til eksperimentelle ure, der fungerer intermitterende.

JILA -teamet løste disse problemer ved at optimere en mere stabil type oscillator og stramt kontrollere driftsbetingelser som temperatur, så deres meget stabile og præcise strontiumgitterur kan betjenes regelmæssigt efter behov.

Oscillatoren dannes af en laserstråle rettet ind i et hulrum, der er fremstillet af en enkelt krystal af silicium, inden i hvilket laserlys af en bestemt farve, eller frekvens, hopper frem og tilbage regelmæssigt i lang tid, som en metronom. Disse enheder har eksisteret i årevis, men et langsigtet JILA-samarbejde med Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), det tyske nationale metrologiske institut, fandt på en ny måde at bygge dem på, forbedrer stærkt lysets stabilitet. For nylig, JILA-teamet øgede yderligere den langsigtede stabilitet i deres hulrum, som er 21 centimeter lang og fungerer ved kryogene temperaturer på 124 K (minus 149,15 C), ved at bruge superpoleret optik og forbedret varmekontrol, blandt andre tweaks.

I JILA -tidsskalaen, en optisk frekvenskam (en lineal for lys) overfører det stabile optiske signal fra dette hulrum til et andet, meget stabil laser, der lyser på urets atomer og synkroniserer lysets frekvens med deres tikkende. To ekstra lasere er stabiliseret til uafhængige hulrum. De flere lasere og hulrum giver redundans, hvis der skulle opstå fejl.

Oscillatorens stabilitet blev kontinuerligt sammenlignet med NIST-mikrobølge-tidsskalaen ved en allerede eksisterende underjordisk fiberoptisk forbindelse mellem JILA, på universitetets campus, og NIST, en kilometer eller deromkring. Over en måneds målinger, frekvensstabiliteten for den optiske oscillator overgik konsekvent den, der var for maserne i mikrobølgeovnens tidsskala.

De eksperimentelle resultater viser, at JILA tidsskalaarkitekturen udkonkurrerer mikrobølge tidsskalaer, selv når maserne er kalibreret af næste generations atomure. Teamets analyse indikerer, at ved at køre det optiske ur JILA 50% af tiden, den helt optiske tidsskala kunne nå et stabilitetsniveau omkring 10 gange bedre end standard mikrobølge tidsskala, eller 1 × 10 ^-17 , efter et par måneders gennemsnit.

En yderligere praktisk fordel er, at oscillatorfrekvensen kan forudsiges ved hjælp af konventionelle mikrobølge -analyseteknikker, gør det muligt for teamet at estimere en timingfejl på kun 48 ± 94 picosekunder (billioner af et sekund) efter 34 dages drift.

Yderligere tekniske opgraderinger er planlagt, herunder automatisering, der skulle gøre det muligt at betjene uret mere end 50% af tiden. Forskere planlægger også at indarbejde det optiske tidsskala -signal i NIST -tidsskalaen ved hjælp af det underjordiske fibernet.