US-Militär will kleinere und stabilere Atomuhren

Das US-Militär will Sie... um eine bessere Atomuhr zu entwerfen.

Die Defense Advanced Research Projekte Agency (DARPA), die Niederlassung des US-Verteidigungsministeriums mit der Entwicklung neuer Technologien für das Militär beauftragt hat vor kurzem ein neues Programm namens Atomuhren mit verbessert Stabilität (ACES) angekündigt. Das Programm zielt darauf ab, eine Atomuhr zu entwerfen, die 1.000 Mal stabiler als aktuelle Modelle, die so präzise sind, dass sie in der Lage perfekte Zeit seit Milliarden von Jahren, weder gewinnen noch verlieren 1 Sekunde während dieser Zeit.

Atomuhren werden zur Zeit stellenweise den Überblick behalten, ein winziger Bruchteil einer Sekunde einen großen Unterschied macht. Zum Beispiel beschäftigen Telekommunikation Türme sie Datenpakete innerhalb von Mikrosekunden zu synchronisieren; Wenn ihre Uhren waren, die Bits würde häufen sich wie Autos im Stau, und Anrufe würde fallen gelassen. GPS-Satelliten verwenden sie mal die Signale, die hüpfen zwischen den Satelliten und dem Empfänger zu bestimmte Orten zu lokalisieren. [5 der genauesten Uhren aller Zeiten]

"Jeder Nanosekunde, was du bist, Sie heraus durch 3 Fuß [0,9 Meter]," sagt John Kitching, Gruppenleiter am National Institute of Standards und Technologie und Experte für kleine Atomuhren. "Also, wenn du unterwegs bist [durch eine] Mikrosekunde, du bist weg von einer Meile."

Normalerweise, atomare Uhren synchronisieren regelmäßig – zum Beispiel Handy Türme prüfen ihre Uhren gegen die GPS-Satelliten und passen Sie für Unstimmigkeiten. Aber sie können nicht tun, wenn das GPS-Signal verloren geht. GPS-Signale schwach genug sind, dass sie blockiert oder, manchmal sogar versehentlich von einem Passanten mit einem Handy gestört, sagte Kitching. Dadurch kann ein Satellit offline, entweder durch Unfall oder Design geht. Sie können sogar ein GPS-Signal verlieren, zu Fuß in ein Gebäude oder eine Schlucht. (Sie vielleicht bemerkt haben, dass wenn Sie in einem Gebäude befinden, Ihr Handy-Karten-app in der Regel die lokale Wi-Fi verwendet wird.)

Dies ist ein Grund das Militär stabilere Uhren zu bauen will – sie wollen diejenigen, die synchronisiert bleiben, auch wenn sie für längere Zeit aus dem Kontakt mit GPS-Systemen sind.

Im Rahmen des Programms Asse läuft das US-Verteidigungsministerium will, Atomuhren, die klein genug, um eine Brieftasche und dass reinpassen werden, auf ein Viertel von einem Watt. Diesen zweiten Parameter wahrscheinlich die größere Herausforderung sein wird, sagte Kitching Leben Wissenschaft.

"Die kleinste atomaren Uhren passen in ein Deck von Karten, sondern sie laufen auf ca. 10 Watt," sagte er. "Das ist nicht viel wenn du bist Einstecken in eine Wand, sondern ein gewöhnliche Lithium-Ionen-Akku hat eine Laufzeit von ca. 10 Minuten."

Macht so ein Problem wegen der Art, die atomare Uhren arbeiten, sagte Kitching. In einer Atomuhr ist das "Pendel" ein Atom, in der Regel von einem Alkalimetall Rubidium oder Cäsium. Das Metall wird in einer winzigen Vakuumkammer, umgeben von einem Stück Silizium genommen. Dann sind beide zwischen Glasscheiben eingebettet. Das Metall wird erwärmt, und einige seiner Atome getrennt, bilden eine Dampf.

Dann wird ein Laserstrahl durch das Metall ausgelöst. Laser bei einer bestimmten Frequenz betreiben, obwohl sie nach oben oder unten eine kleine Menge optimiert werden können, fügte er hinzu. Der Laserstrahl trifft die Atome, die bei einer bestimmten Frequenz zu vibrieren. Unterdessen nimmt dabei ein Photodetektor der Strahl die Vakuumkammer beendet. Da der Laser abgestimmt ist, beginnt das Licht entsprechend die Häufigkeit der Schwingungen der Atome, erreichen einen Zustand nennt man Resonanz. Wenn es passt, den Photodetektor greift ein stärkeres Signal und verwandelt, die in einen elektrischen Impuls. Der Puls geht auf einen Oszillator, der feeds zurück an den Laser zu halten, genau abgestimmt. Kitching, sagte. All dies braucht Energie für den Betrieb. [Video: wie man die genauesten Atomuhren bauen]

Auch die genauesten Atomuhren werden treiben, und die anspruchsvollsten, die in Labors wie der NIST bei extrem niedrigen Temperaturen betrieben werden und sind mit Raumgröße Laserstrahlen abgekühlt. Beide Faktoren bedeuten, es wird schwierig sein, Atomuhren Brieftaschenformat machen und weniger machthungrigen, sagte Kitching.

Robert Lutwak, DARPA Programm-Manager für die Atomuhr-Projekt vereinbart, dass die Erfüllung der Anforderungen von der Agentur festgelegten nicht leicht sein wird. "NIST hat eine ziemlich einzigartige Mission – die höchstmögliche Genauigkeit im Labor nachweisen. Als solche, sie "ziehen alle Register", die optimale Leistung ohne Bezug für Kosten, Größe, Gewicht oder Kraft und ohne Notwendigkeit einer robusten Dauerbetrieb über Zeit, Temperatur, Vibration, Schock oder anderen realen Umgebungen zu erreichen "Er erzählte Leben Wissenschaft in einer e-Mail.

Die Asse-Programm wird ein Budget von bis zu $ 50 Millionen und umfasst drei Phasen nach DARPA. Die Teams zur Teilnahme an der ersten Phase des Programms ausgewählt werden ihre Uhren in einem Labor zu bauen und müssen zeigen, dass die Teile zusammen als eine Atomuhr mit mehr Stabilität als die bestehenden Modelle betreiben. Die Teams gewählt, um das Programm weiter werden aufgefordert, ihre Uhren in einen Raum kleiner als 2 Kubikzoll (33 Kubikzentimeter) packen. Die letzte Stufe beinhaltet demonstriert, die die Atomuhr in einen Raum weniger als 3 Kubikzoll (49 ccm), zusammen mit der zugehörigen Elektronik passen können.

Eine frühere DARPA-Programm, die von 2000 bis 2009 dauerte es geschafft, Atomuhren um den Faktor 100 schrumpfen und diejenigen, die blieben stabil mit einem Faktor von 1 in 10 Milliarden pro Sekunde (d.h., sie einer Sekunde alle 317 Jahre drift werden) zu erstellen. "Die Ziele des Programms Asse sind, diese um mindestens eine Größenordnung zu gelangen", sagte Lutwak.

Am 1. Februar veranstaltet die DARPA ein Ereignis, um weitere Details über die Asse-Programm bereitzustellen.

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