3. Высокостабильные квантовые эфф

3. Высокостабильные квантовые эффекты и их использование для воспроизведения единиц физических величин

3.1. Квантовые переходы

[3], с. 20; 114...117;[2], с. 131...135

В начале ХХ века немецкий физик М. Планк показал, что основные единицы для нашей Вселенной, однозначно предопределенные наиболее общими законами физики, могут быть составлены из фундаментальных физических констант: скорости света с, постоянной Планка ħ и гравитационной постоянной γ. Значения этих констант, фигурирующих в виде коэффициенов в уравнениях основных физических теорий – классической и квантовой электродинамики и общей теории относительности – являются максимально стабильными и независящими от внешних условий. Появилось понятие «квантовая метрология». Но планковские единицы, несмотря на их универсальность, в метрологии в настоящее время не используются.
Государственный первичный эталон (ГПЭ) единиц времени и частоты воспроизводит основную единицу СИ (секунду) в соответствии с ее определением: секунда – единица времени, равная 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Функциональная схема воспроизводящей части ГПЭ показана на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема цезиевого репера частоты

Атомы цезия-133 испускаются нагретым источником 1. Пучок этих

атомов попадает в область неоднородного магнитного поля, создаваемого магнитом 2. Угол отклонения атомов в таком магнитном поле определяется их магнитным моментом. Поэтому неоднородное магнитное поле позволяет выделить из пучка атомы, находящиеся на определенном энергетическом уровне. Эти атомы направляются в объемный резонатор 3, пролетая через который, взаимодействуют с переменным электромагнитным полем сверхвысокой частоты. Частота электромагнитных колебаний в резонаторе может регулироваться в небольших пределах. При совпадении ее с частотой, соответствующей энергии квантовых переходов, происходит поглощение энергии СВЧ-поля, и атомы цезия-133 переходят в основное состояние.

Отклоняющей магнитной системой 4 они направляются на детектор 5. Ток детектора при настройке резонатора на частоту квантовых переходов оказывается максимальным. Этой частоте приписывается значение 9192631770 Гц, а промежуток времени, равный 9192631770 периодам сверх-высокочастотных колебаний, принимается равным 1 с.
Поскольку секунда воспроизводится в сверхвысокочастотном диапазоне, а метр по определению должен воспроизводиться в оптическом (метр – единица длины, равная пути, проходимому в вакууме светом за 1/299792458 долю секунды), то применяется радиооптический частотный мост (POЧM).
Таким образом, воспроизведение единиц времени, частоты и длины осуществляется единым техническим комплексом – ГПЭ единиц времени, частоты и длины.