Команда Sandia Labs хочет создать самые маленькие в мире атомные часы

Feb 15, 2024

Юань-Ю Джау, старший исследователь Сандианской национальной лаборатории, хочет построить самые маленькие в мире атомные часы.

Если ему это удастся, он и его команда в Национальных лабораториях Сандии создадут атомные часы размером меньше кубика сахара.

В прошлом году Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны поставило перед исследовательскими группами задачу создать меньшие по размеру и более точные часы.

Яу возглавляет одну из двух команд Сандии, пытающихся это сделать.

«Им нужен один кубический сантиметр для всего, и в настоящее время не существует атомных часов такого размера», — сказал Джау в пресс-релизе из Сандии.

Основная конструкция часов, которые создают Джау и его команда, составляет всего 0,04 кубических сантиметра, говорится в сообщении.

DARPA хочет, чтобы эти крошечные часы были точны в пределах одной миллионной секунды через неделю.

Sandia производит компактные часы на протяжении десятилетий. В начале 2000-х годов он помог разработать часы объемом 17 кубических сантиметров, известные как атомные часы с чиповой шкалой, размером примерно со спичечный коробок. В то время это были самые маленькие атомные часы в мире, и они до сих пор остаются самыми маленькими из доступных на розничном рынке.

Национальное бюро стандартов США, ныне Национальный институт стандартов и технологий, изобрело первые атомные часы в 1948 году.

Согласно сообщению, эти часы измеряют время с помощью электромагнитных сигналов, излучаемых электронами вокруг атома, что «делает его невероятно точным».

Атомные часы позволили появиться дальнейшим инновациям, включая GPS.

DARPA хочет создать небольшие точные часы, которые помогут транспортным средствам, когда GPS недоступен.

«Это похоже на расчет расстояния, пройденного автомобилем на длинном участке шоссе», — говорится в сообщении. «Если вы едете со скоростью 60 миль в час, вы знаете, что через час вы проехали 60 миль. Надежные часы — это половина уравнения».

Sandia и DARPA хотят, чтобы их часы были в 30 раз точнее, чем современные маленькие часы.

Они также хотят улучшить энергопотребление и чувствительность к температуре и вибрации.

«Это намного сложнее, чем то, что люди делали до сих пор», — сказал Джау в пресс-релизе.

Сандиа сказал, что уменьшение размера, веса и мощности атомных часов облегчает использование передовых навигационных систем на военных кораблях, дронах и спутниках.

Яу уверен, что он и его команда смогут построить часы, поскольку, согласно сообщению, план рассчитан на 16 лет.

Будучи преподавателем физики в Принстонском университете в 2007 году, Джау построил прототип, который он назвал лазерным атомным генератором.

Они выполняли ту же функцию, что и атомные часы, но были размером с ящик для инструментов. У него был импульс, похожий на часы, возникающий в результате воздействия лазера на облако атомов калия.

Плюс ко всему, оно было самодостаточным. Генератору не требовалось внешнее электронное оборудование для управления периодическим импульсом.

«Вспомогательное оборудование распространено во многих типах атомных часов и обычно занимает большую часть места», — говорится в сообщении. «Если вы удалите вспомогательную электронику из CSAC размером со спичечный коробок, вы обнаружите, что физическое тиканье происходит в упаковке размером всего лишь с рисовое зернышко».

Джау построил более крупный прототип атомных часов, потому что сделать это проще.

«Знаете, своими пальцами-сосисками», — сказал он в пресс-релизе.

Джау сказал, что он заменит цезий атомами калия и уменьшит свою конструкцию, используя машины и инструменты в комплексе микросистемной инженерии, науки и приложений Sandia. Это гибридный научно-исследовательский и производственный комплекс в области микроэлектроники.

Поскольку конструкция не требует периферийного оборудования, Джау считает, что он может значительно уменьшить размер, вес и требования к мощности, необходимые для атомных часов.

«Мы будем использовать только тот объем физического пакета, который существует в существующих часах CSAC, но мы избавимся от этой сложной электроники вокруг него», — сказал Джау в пресс-релизе.

DARPA предоставило Джау и его команде двухлетнее финансирование, и они могут получить больше, если будут соответствовать критериям размера и производительности.