Методика определения основных систематических сдвигов в оптических стандартах частоты

Оптические стандарты частоты (ОСЧ) приобретают ключевое значение в формировании национальных и международных шкал времени, гравиметрии и геодезии, спутниковой навигации, а также в прикладных и фундаментальных физических исследованиях [1]. Лучшие ОСЧ демонстрируют относительную нестабильность и неопределенность воспроизведения частоты на уровне 1×10^-18 [2], причем эти показатели продолжают улучшаться.

Достижение таких выдающихся метрологических показателей требуют точного учета факторов, вызывающих смещение частоты «часового» перехода ОСЧ относительно ее номинального (невозмущенного) значения. Для ОСЧ на основе холодных атомов стронция и иттербия ключевыми возмущающими воздействиями являются: тепловое излучение, вызывающее сдвиг, вызванный влиянием излучения черного тела (ИЧТ); динамический штарковский сдвиг, возникающий в поле оптический решетки; зеемановский сдвиг, обусловленный воздействием на атомы внешнего магнитного поля.

Существующая методика измерения систематических сдвигов для ОСЧ на основе холодных атомов стронция, входящего в состав ГЭТ-1 2022, обладает недостатками в виде необходимости синхронной работы двух ОСЧ. На этот период ОСЧ недоступен для использования в качестве репера. Кроме того, измерения по данной методике невозможно проводить автоматически. Для устранения этих ограничений предлагается новая Методика измерения основных систематических сдвигов частоты в ОСЧ, требующая задействования только одного стандарта.

При использовании существующей методики все параметры опорного ОСЧ оставались неизменными, а в исследуемом ОСЧ изменялся параметр, являющийся причиной возникновения одного из сдвигов. Из разницы показаний двух ОСЧ, определяемой по сигналу биений, рассчитывались коэффициенты, с использованием которых оценивалось влияние того или иного параметра на частоту ОСЧ и рассчитывался вызываемый им сдвиг частоты.

Согласно новой методике, частотные сдвиги определяются с помощью спектроскопии «часового» перехода, а не по измерению частоты сигнала биений двух ОСЧ. Дрейф частоты используемого в ГЭТ-1 2022 «часового» лазера линейный и составляет 100 мГц/с, а длительность одного цикла измерений – около 2 с. За время выполнения измерений параметры, воздействующие на частоту «часового» перехода (тепловое излучение, магнитное поле, поле оптической решетки), оказывают значительно большее влияние на измерение частоты «часового» перехода, чем дрейф «часового» лазера. Данный факт позволяет определить основные систематические сдвиги с высокой точностью без использования опорного ОСЧ. Нами показано, что с помощью новой методики неопределенность ОСЧ определяется с точностью менее 1×10^-16 [5].

Преимуществами новой методики является возможность определения основных систематических сдвигов частоты в реальном времени, с прерыванием работы ОСЧ лишь для коротких измерений. Кроме того, возможна полная автоматизация процесса измерений основных систематических сдвигов, что значительно ускоряет процесс измерений и снижает влияние человеческого фактора. Для автоматизации реализации методики разработано специализированное программное обеспечение [6], которое автоматически вычисляет систематические сдвиги и позволяет корректировать частоту ОСЧ для передачи точного значения частоты потребителю.

Литература

1) Блинов И. Ю., Смирнов Ю. Ф., Смирнов Ф. Р. Состояние и перспективы развития транспортируемых эталонов единиц времени и частоты // Вестник метролога. 2018. №. 3. С. 3–6.

2) Bothwell T., Kennedy C. J., Aeppli A., et al. Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample // Nature. 2022. Т. 602. №. 7897. С. 420–424.

3) Taichenachev A. V., Yudin V. I., Oates C. V., et al. Magnetic field-induced spectroscopy of forbidden optical transitions with application to lattice-based optical atomic clocks // Phys. Rev. Lett. APS. 2006. Vol. 96. № 8. P. 83001.

4) Ovsiannikov V. D., Marmo S. I., Palchikov V. G., et al. Higher-order ef-fects on the precision of clocks of neutral atoms in optical lattices // Phys. Rev. A. APS. 2016. Vol. 93, № 4. P. 43420.

5) Семенко А.В., Карауш А.А., Фёдорова Д.М. и др. Методы и системы сравнения частот территориально удаленных оптических стан-дартов // Спецвыпуск журнала ЖЭТФ, Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2024. Vol. 166(4). C. 475–489.

6) Semenko A. V., Vyalykh A. P., Paryohin D. A., Sutyrin D. V. Compact mi-crocontroller-based control system for transportable lattice optical clocks // 2024 26th International Conference on Digital Signal Processing and its Applications (DSPA). IEEE. 2024. С. 1–5.