izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2026-1-80-88izmertech-2404Research ArticleИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ И ЧАСТОТЫTIME AND FREQUENCY MEASUREMENTSИсточник медленных атомов на основе конической магнитооптической ловушкиA source of slow atoms based on a conical magneto-optical trapАлейниковаЕ. С.AleinikovaE. S.

Екатерина Сергеевна Алейникова, младший научный сотрудник, Главный метрологический центр Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли

141570, Московская обл., г. Солнечногорск, пгт Менделеево, промзона ФГУП ВНИИФТРИ, к. 11

Ekaterina S. Aleinikova, Junior Researcher, Main metrological center of the State service of time, frequency and determination of the Earth rotation parameters

141570, Moscow region, Solnechnogorsk, Mendeleevo settlement, industrial zone of FSUE VNIIFTRI, building 11

aleinikova@vniiftri.ruКупаловД. С.KupalovD. S.

Дмитрий Сергеевич Купалов, канд. техн. наук, начальник отдела, Главный метрологический центр Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли

141570, Московская обл., г. Солнечногорск, пгт Менделеево, промзона ФГУПВНИИФТРИ, к. 11

Dmitry S. Kupalov, Cand. Sc. (Engineering), Head of Department, Main metrological center of the State service of time, frequency and determination of the Earth rotation parameters

141570, Moscow region, Solnechnogorsk, Mendeleevo settlement, industrial zone of FSUE VNIIFTRI, building 11

kupalov@vniiftri.ruИванченкоЕ. В.IvanchenkoE. V.

Екатерина Викторовна Иванченко, ведущий инженер, Главный метрологический центр Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли

141570, Московская обл., г. Солнечногорск, пгт Менделеево, промзона ФГУП ВНИИФТРИ,  к. 11

Ekaterina V. Ivanchenko, Leading Engineer, Main metrological center of the State service of time, frequency and determination of the Earth rotation parameters

141570, Moscow region, Solnechnogorsk, Mendeleevo settlement, industrial zone of FSUE VNIIFTRI, building 11

ivanchenkocathrine@gmail.comВсероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измеренийРоссияRussian Metrological Institute of Technical Physics and Radio EngineeringRussian Federation2026140320267518088Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20262026ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2404

В настоящее время активно развивается область квантовых стандартов частоты на основе холодных атомов. Холодные атомы лежат в основе создания таких квантовых гравиметрических сенсоров, как атомные гравиметры, градиентометры и гироскопы. Одним из ключевых элементов данных сенсоров является источник медленных атомов, который должен обеспечивать достаточный поток охлаждённых атомов. Представлена разработка компактного источника медленных атомов рубидия Rb87 на основе конической магнитооптической ловушки, позволяющей значительно упростить оптическую схему в результате замены многолучевой системы одним коническим отражателем. Разработанный компактный источник используется в стандартах частоты фонтанного типа. Приведены схема, принцип работы, конструктивные особенности и экспериментальные характеристики разработанного источника. Представлены результаты исследования рабочих параметров источника и характеристики его выходного атомного пучка: расчётное число захваченных атомов в конической области ловушки; средняя скорость атомного потока; зависимость характеристик выходного атомного пучка от рабочих параметров ловушки. Приведённые характеристики демонстрируют возможность использования конической магнитооптической ловушки в качестве источника медленных атомов в современных стандартах частоты фонтанного типа и других атомных сенсорах.

Currently, the field of quantum frequency standards based on cold atoms is actively developing. Сold atoms underlie the creation of such quantum gravimetric sensors as atomic gravimeters, atomic gradiometers and atomic gyroscopes. One of the key elements of these sensors is the source of cold atoms, which must provide a sufficient flow of cooled atoms. This paper presents the development of a compact source of Rb87 atoms based on a conical magnetooptical trap, which significantly simplifies the optical scheme by replacing the multipath system with a single conical reflector. The developed compact source is used in fountain-type frequency standards. The scheme, principle of operation, design features and experimental characteristics of a source of slow atoms are given. The results of a study of the operating parameters of a source of slow atoms based on a conical magneto-optical trap and the characteristics of its output atomic beam are presented: the estimated number of trapped atoms in the conical region of the trap, the average atomic flow velocity, and the dependence of the characteristics of the output atomic beam on the operating parameters of the trap. These characteristics demonstrate the possibility of using a conical magneto-optical trap as a source of slow atoms in modern fountain-type frequency standards and other atomic sensors.

стандарты времени и частотыатомный фонтанхолодные атомымагнитооптическая ловушкаисточник медленных атомовtime and frequency standardsatomic fountainslow atomsmagneto-optical trapsource of slow atomsАвторы заявляют, что во время подготовки данной рукописи не было получено никаких средств, грантов или другой поддержки.The authors declare that no funds, grants, or other support were received during the preparation of this manuscript.ReferencesДомнин Ю. С., Елкин Г. А., Новоселов А. В., Барышев В. Н., Копылов Л. Н., Малышев Ю. М., Пальчиков В. Г. Применение холодных атомов цезия в квантовых стандартах частоты. Квантовая электроника, 34(12), 1084–1095 (2004). https://doi.org/10.1070/QE2004v034n12ABEH002749 ; https://elibrary.ru/lihuunDomnin Yu. S., Elkin G. A., Novoselov A. V., Baryshev V. N., Kopylov L. N., Malyshev Yu. M., Pal’chikov V. G. Use of cold Cesium atoms in quantum frequency standards. Quantum Electronics, 34(12), 1084–1095 (2004). https://doi.org/10.1070/QE2004v034n12ABEH002749 ; https://elibrary.ru/lihuunБлинов И. Ю., Бойко А. И., Домнин Ю. С., Костромин В. П., Купалова О. В., Купалов Д. С. Бюджет неопределенностей цезиевого репера частоты фонтанного типа. Измерительная техника, (1), 23–27 (2017). https://elibrary.ru/xrywcbBlinov I. Y., Boiko A. I., Domnin Y. S., Kostromin V. P., Kupalova O. V., Kupalov D. S. Budget of uncertainties in the Cesium frequency frame of fountain type. Izmeritel`naya Tekhnika, (1), 23–27 (2017). (In Russ.) https://elibrary.ru/xrywcbКупалов Д. С., Барышев В. Н., Блинов И. Ю., Бойко А. И., Домнин Ю. С., Иванченко Е. В. Бюджет неопределённости рубидиевого репера частоты фонтанного типа: результаты предварительных исследований. Измерительная техника, (10), 28–33 (2021). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-10-28-33 ; https://elibrary.ru/ujofvgKupalov D. S., Baryshev V. N., Blinov I. Y., Boiko A. I., Domnin Y. S., Ivanchenko E. V. The uncertainty budget of the Rubidium fountain: the preliminary results. Izmeritel`naya Tekh nika, (10), 28–33 (2021). (In Russ.) https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-10-28-33 ; https://elibrary.ru/ujofvgДомнин Ю. С., Барышев В. Н., Бойко А. И., Елкин Г. А., Новоселов А. В., Копылов Л. Н., Купалов Д. С. Цезиевый репер частоты фонтанного типа МЦР-Ф2. Измерительная техника, (10), 26–30 (2012).https://elibrary.ru/pjcczbDomnin Yu. S., Baryshev V. N., Boyko A. I., Elkin G. A., Novoselov A. V., Kopylov L. N., Kupalov D. S. The MTsR-F2 fountain-type Cesium frequency standard. Izmeritel`naya Tekhnika, (10), 26–30 (2012). (In Russ.) https://elibrary.ru/pjcczbСутырин Д. В., Бердасов О. И., Антропов С. Ю., Грибов А. Ю., Балаев Р. И., Стельмашенко Е. Ф., Федорова Д. М., Малимон А. Н., Слюсарев С. Н. Оптический репер частоты для применения в национальной шкале времени. Квантовая электроника, 49(2), 199–204 (2019). https://elibrary.ru/vwdldlSutyrin D. V., Berdasov O. I., Antropov S. Yu., Gribov A. Yu., Balaev R. I., Stel’mashenko E. F., Fedorova D. M., Malimon A. N., Slyusarev S. N. Optical frequency reference for the national time scale. Quantum Electronics, 49(2), 199–204 (2019). https://doi.org/10.1070/QEL16885Купалов Д. С., Барышев В. Н., Блинов И. Ю., Бойко А. И., Домнин Ю. С., Копылов Л. Н., Купалова О. В., Новоселов А. В., Хромов М. Н. Хранитель единиц времени и частоты на основе «фонтана» атомов рубидия. Альманах современной метрологии, (15), 31–41 (2018).https://elibrary.ru/xxrzwxKupalov D. S., Baryshev V. N., Blinov I. Yu., Boyko A. I., Domnin Yu. S., Kopylov L. N., Kupalova O. V., Novoselov A. V., Khromov M. N. Keeper of time and frequency units on the basis of the “fountain” of Rubidium atoms. Al’manac of Modern Metrology, (15), 31–41 (2018). (In Russ.) https://elibrary.ru/xxrzwxПавленко К. Ю., Блинов И. Ю., Купалов Д. С. Результаты первых метрологических испытаний комплекса аппаратуры рубидиевых реперов частоты фонтанного типа. Вестник метролога, (4), 4–6 (2018). https://elibrary.ru/wmgjasPavlenko K. Yu., Blinov I. Yu., Kupalov D. S. Results of the fi rst metrological test the complex of the equipment Rubidium bench mark of the frequency fountaining type. Vestnik Metrologa, (4), 4–6 (2018). (In Russ.) https://elibrary.ru/wmgjasПавленко К. Ю., Павленко Ю. К., Беляев А. А., Блинов И. Ю., Хромов М. Н., Биз С., Лорини Л. Создание первого в России хранителя частоты и времени на основе фонтана охлажденных атомов рубидия. Квантовая электроника, 48(10), 967–972 (2018). https://elibrary.ru/ymolzrPavlenko K. Yu., Pavlenko Yu. K., Belyaev A. A., Blinov I. Yu., Khromov M. N., Bize S., Lorini L. Creation of the first Russian time and frequency standard on a fountain of ultracold Rubidium atoms. Quantum Electronics, 48(10), 967–972 (2018). https://doi.org/10.1070/QEL16778Slowe С., Vernac L. , Hau L. V. High fl ux source of cold rubidium atoms. Review of Scientific Instruments, 76(10), 103101 (2005). https://doi.org/10.1063/1.2069651Slowe С., Vernac L., Hau L. V. High flux source of cold Rubidium atoms. Review of Scientific Instruments, 76(10), 103101 (2005). https://doi.org/10.1063/1.2069651Park S. J., Noh J., Mun J. Cold atomic beam from a two-dimensional magneto-optical trap with two-color pushing laser beams. Optics Communications, 285(19), 3950–3954 (2012). https://doi.org/10.1016/j.optcom.2012.05.041Park S. J., Noh J., Mun J. Cold atomic beam from a two-dimensional magneto-optical trap with two-color pushing laser beams. Optics Communications, 285(19), 3950–3954 (2012). https://doi.org/10.1016/j.optcom.2012.05.041Chaudhuri S., Roy S ., Unnikrishnan C. S. Realization of an intense cold Rb atomic beam based on a two-dimensional magneto-optical trap: Experiments and comparison with simulations. Physical Review A, 74(2), 023406 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.74.023406Chaudhuri S., Roy S., Unnikrishnan C. S. Realization of an intense cold Rb atomic beam based on a two-dimensional magneto-optical trap: Experiments and comparison with simulations. Physical Review A, 74(2), 023406 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.74.023406Wohlleben W., Chevy F., Madison K., Dalibard J. An atom faucet. The European Physical Journal D – Atomic, Molecular, Optical and Plasma Physics, 15(2), 237–244 (2001). https://doi.org/10.1007/s100530170171 ; https://elibrary.ru/atkfpfWohlleben W., Chevy F., Madison K., Dalibard J. An atom faucet. The European Physical Journal D – Atomic, Molecular, Optical and Plasma Physics, 15(2), 237–244 (2001). https://doi.org/10.1007/s100530170171 ; https://elibrary.ru/atkfpfDonley E. A., Heavner T. P., Jefferts S. R. Optical molasses loaded from a low-velocity intense source of atoms: an atom source for improved atomic fountains. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 54(5), 1905–1910 (2005). https://doi.org/10.1109/TIM.2005.853218Donley E. A., Heavner T. P., Jefferts S. R. Optical molasses loaded from a low-velocity intense source of atoms: an atom source for improved atomic fountains. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 54(5), 1905–1910 (2005). https://doi.org/10.1109/TIM.2005.853218Ovchinnikov Yu. B. Compact magneto-optical sources of slow atoms. Optics Communications, 249(4-6), 473–481 (2005). https://doi.org/10.1016/j.optcom.2005.01.047 ; https://elibrary.ru/kgodubOvchinnikov Yu. B. Compact magneto-optical sources of slow atoms. Optics Communications, 249(4-6), 473–481 (2005). https://doi.org/10.1016/j.optcom.2005.01.047 ; https://elibrary.ru/kgodubКупалов Д. С., Алейникова Е. С. Исследование источника медленных атомов на основе магнитооптической ловушки для рубидиевого стандарта частоты фонтанного типа. Метрология времени и пространства: материалы VII Международного симпозиума, с. 46–47, Суздаль, Россия, 2014. https://elibrary.ru/tvfkozKupalov D. S., Aleynikova E. S. Investigation of a source of slow atoms based on a magneto-optical trap for a fountaintype Rubidium frequency standard. Metrology of Time and Space: Proc. VII International Symposium, pp. 46–47, Suzdal, Russia, 2014. (In Russ.) https://elibrary.ru/tvfkozLundblad N., Aveline D. C., Thompson R. J., Kohel J. M., Ramirez-Serrano J., Klipstein W. M., Enzer D. G., Yu. N., Maleki L. Two-species cold atomic beam. Journal of the Optical Society of America B, 21(1), 3–6 (2004). https://doi.org/10.1364/JOSAB.21.000003Lundblad N., Aveline D. C., Thompson R. J., Kohel J. M., Ramirez-Serrano J., Klipstein W. M., Enzer D. G., Yu. N., Maleki L. Two-species cold atomic beam. Journal of the Optical Society of America B, 21(1), 3–6 (2004). https://doi.org/10.1364/JOSAB.21.000003Ravenhall S., Yuen B., Foot C. High-flux, adjustable, compact cold-atom source. Optics Express, 29(14), 21143–21159 (2021). https://doi.org/10.1364/OE.423662 ; https://elibrary.ru/erzdobRavenhall S., Yuen B., Foot C. High-flux, adjustable, compact cold-atom source. Optics Express, 29(14), 21143–21159 (2021). https://doi.org/10.1364/OE.423662 ; https://elibrary.ru/erzdobLee K. I., Kim J. A., Noh H. R., Jhe W. Single-beam atom trap in a pyramidal and conical hollow mirror. Optics Letters, 21(15), 1177–1179 (1996). https://doi.org/10.1364/OL.21.001177 ; https://elibrary.ru/xrdyrbLee K. I., Kim J. A., Noh H. R., Jhe W. Single-beam atom trap in a pyramidal and conical hollow mirror. Optics Letters, 21(15), 1177–1179 (1996). https://doi.org/10.1364/OL.21.001177 ; https://elibrary.ru/xrdyrbMonroe C., Swann W., Robinson H., Wieman C. Very cold trapped atoms in a vapor cell. Physical Review Letters, 65, 1571 (1990). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.65.1571Monroe C., Swann W., Robinson H., Wieman C. Very cold trapped atoms in a vapor cell. Physical Review Letters, 65, 1571 (1990). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.65.1571Kohns P., Buch P., Suptitz W., Csambal C., Ertmer W. On-Line measurement of Sub-Doppler temperatures in a Rb magnetooptical trap-by-trap centre oscillations. Europhysics Letters, 22(7), 517–522 (1993). https://doi.org/10.1209/0295-5075/22/7/007Kohns P., Buch P., Suptitz W., Csambal C., Ertmer W. On-Line measurement of Sub-Doppler temperatures in a Rb magnetooptical trap-by-trap centre oscillations. Europhysics Letters, 22(7), 517–522 (1993). https://doi.org/10.1209/0295-5075/22/7/007Kohel J. M., Ramirez-Serrano J., Thompson R. J., Maleki L., Bliss J. L., Kenneth G. Libbrecht Generation of an intense cold-atom beam from a pyramidal magneto-optical trap: experiment and simulation. Journal of the Optical Society of America B, 20(6), 1161–1168 (2003). https://doi.org/10.1364/JOSAB.20.001161Kohel J. M., Ramirez-Serrano J., Thompson R. J., Maleki L., Bliss J. L., Kenneth G. Libbrecht Generation of an intense cold-atom beam from a pyramidal magneto-optical trap: experiment and simulation. Journal of the Optical Society of America B, 20(6), 1161–1168 (2003). https://doi.org/10.1364/JOSAB.20.001161

The authors declare that there are no conflicts of interest present.