Atomikello on saatavana moninaisina. Jotkut ovat sirukokoisia elektroniikkalaitteita, jotka on kehitetty armeijalle, mutta joita on nyt saatavana kaupallisesti, kun taas suuret ja tarkemat atomikellot seuraavat aikaa GPS-satelliiteissa. Mutta kaikki atomikellat toimivat samalla periaatteella. Puhtaissa atomeissa - joissakin kelloissa käytetään cesiumia, toisissa elementtejä, kuten rubidiumia - on tietty määrä valenssielektroneja tai elektroneja kunkin atomin ulkokuoressa. Kun atomit iskevät tietyllä sähkömagneettisen säteilyn taajuudella (esimerkiksi valon aallot tai mikroaallot), valenssielektronit siirtyvät kahden energiatilan välillä.
1960-luvulla tutkijat kääntyivät pois ajan mittaamisesta taivaankappaleiden kiertoratojen ja kiertojen perusteella ja alkoivat käyttää näitä kelloja kvanttimekaniikan periaatteiden pohjalta. Se voi tuntua oudolta tavalta mitata aikaa, mutta tietyn määrän värähtelyjen eli ”punkkien” kesto sähkömagneettisen säteilyn aallossa on virallinen menetelmä, jolla tutkijat määrittelevät toisen. Erityisesti toinen on mikroaaltolaserin 9 192 631 770 värähtelyn kesto, joka aiheuttaa cesiumatomien siirtymisen.
Mutta meillä on jopa parempia atomikelloja kuin cesiumia mittaavilla.
"Jos kaksi ytterbiumkelloamme olisi aloitettu maailmankaikkeuden alussa, tässä vaiheessa ne olisivat eri mieltä toisistaan alle sekunnilla", sanoo Kansallisen standardi- ja teknologiainstituutin (NIST) fyysikko William McGrew. ), sähköpostissa.
NIST: n erittäin vakaa ytterbium-hilaatomikello. Ytterbiumiatomit muodostetaan uunissa (suuri metallisylinteri vasemmalla) ja lähetetään tyhjökammioon valokuvan keskelle, jotta niitä voidaan käsitellä ja tutkia lasereilla. Laservaloa kuljettaa kello viiden kuidun avulla (kuten keltainen kuitu kuvan alaosassa). (James Burrus / NIST) NIST: n, Yb-1: n ja Yb-2: n ytterbiumkellot ovat ainutlaatuinen tyyppi atomikelloa, joka tunnetaan nimellä optinen hilakello. Pohjimmiltaan kellot käyttävät optisessa taajuudessa sähkömagneettista säteilyä tai lasereita loukkuun tuhansia ytterbium-atomeja ja saavat sitten niiden ulkoiset elektronit siirtymään maaenergian tilan ja viritetyn energiatilan välillä. Cesiumiin verrattuna vaaditaan korkeampi sähkömagneettisen säteilyn taajuus ytterbiumin siirtymisen aikaansaamiseksi.
Kaikki sähkömagneettiset aallot, radioaalloista gammasäteisiin, ja kaikki niiden välillä näkyvä valo ovat samantyyppisiä fotoneista koostuvia aaltoja - ero on yksinkertaisesti siinä, että korkeampien taajuuksien aallot värähtelevät nopeammin. Mikroaallot, joita käytetään cesiumin siirtymiseen, venytetään pidemmiksi aallonpituuksiksi ja alemmiksi taajuuksiksi kuin näkyvä valo. Atomien avulla siirtyminen korkeammilla taajuuksilla on avain paremman kellon luomiseen. Vaikka toinen sekunti on tällä hetkellä noin 9 miljardia mikroaallon värähtelyä, samaa ajanjaksoa edustaa lähempänä näkyvän valon aallon 500 biljoonaa värähtelyä, mikä parantaa tutkijoiden kykyä mitata aikaa tarkasti.
Jos ytterbiumkellon mittauslaskuri valitaan täsmälleen oikealle taajuudelle, ytterbiumiatomit hyppäävät viritetyssä energiatilassa. Tämä tapahtuu, kun laserin taajuus on tarkalleen 518 295 836 590 863, 6 hertsiä - "punkkien" määrä sekunnissa.
"Tämä vastaa 578 nanometrin aallonpituutta, joka näyttää keltaiselta silmälle", McGrew sanoo.
Uusilla mittauksilla Yb-1: llä ja Yb-2: lla, jota johtaa McGrew'n NIST-tiimi, on saatu uusia ennätyksiä kolmella mittaustarkkuuden avainalueella, mikä tuottaa tietyissä suhteissa parhaan mahdollisen mittauksen toistaiseksi saavutetusta toisesta. Erityisesti kellot asettavat uusia ennätyksiä systemaattiselle epävarmuudelle, vakaudelle ja toistettavuudelle. Uudet mittaukset on yksityiskohtaisesti julkaistu tänään Nature-lehdessä .
Ytterbium-optiset kellot ovat vielä tarkempia näissä näkökohdissa kuin cesium-suihkulähdekellot, joita käytetään sekunnin määritelmän määrittämiseen. Ytterbium-kellot eivät ole teknisesti tarkempia kuin cesiumkellot, koska tarkkuus tarkoittaa nimenomaan sitä, kuinka lähellä mittaus on viralliselle määritelmälle, eikä mikään voi olla tarkempi kuin cesiumkellot, joihin määritelmä perustuu. Jopa niin, keskeinen metriikka tässä on systemaattinen epävarmuus - mittari siitä, kuinka tarkasti kello toteuttaa ytterbiumatomien todellisen, häiriöttömän, luonnollisen värähtelyn (tarkka taajuus, joka aiheuttaa niiden siirtymisen).
Uudet mittaukset vastaavat luonnollista taajuutta virheessä, joka on 1, 4 osaa 10 18 : sta eli noin miljardi miljardia. Cesiumkellot ovat saavuttaneet järjestelmällisen epävarmuuden vain noin yhdestä osasta 10 16 . Joten cesiumkelloihin verrattuna, uudet ytterbiumimittaukset “olisivat 100 kertaa parempia”, sanoo NIST-fyysikko ja paperin kirjoittaja Andrew Ludlow.
Tämän tyyppisten mittausten haaste on käsitellä ulkoisia tekijöitä, jotka voivat vaikuttaa ytterbiumatomien luonnolliseen taajuuteen - ja koska nämä ovat eräitä herkimpiä mittauksia, jotka koskaan on saatu aikaan, maailmankaikkeuden jokainen fyysinen vaikutus on tekijä. "Lähes kaikella, mitä voimme mielivaltaisesti ajatella nyt, on lopulta jonkinlainen vaikutus atomin värähtelytaajuuteen", Ludlow sanoo.
Kellojen luonnollista taajuutta siirtäviä ulkoisia vaikutuksia ovat mustan kappaleen säteily, painovoima, sähkökentät ja atomien pienet törmäykset. "Vietämme suuren osan ajastamme yrittääksesi huolellisesti käydä läpi ja ymmärtää tarkalleen kaikki vaikutukset, jotka ovat merkityksellisiä sekoittamalla kellon tikkausnopeus - kyseinen siirtymätaajuus - ja menemällä sisään ja mittaamalla todellisten atomien mitat. kuvaamaan niitä ja auttamaan meitä selvittämään, kuinka hyvin voimme todella hallita ja mitata näitä vaikutuksia. ”
Näiden luonnollisten fysikaalisten tekijöiden vaikutusten vähentämiseksi ytterbiumiatomit, joita esiintyy luonnossa joissakin mineraaleissa, kuumennetaan ensin kaasumaiseen tilaan. Sitten käytetään laserjäähdytystä atomien lämpötilan alentamiseksi satoista kelvin-asteista muutamiin tuhannesosaan asteesta, ja sitten se jäähdytetään edelleen lämpötilaan, joka on noin 10 mikrokelviniä tai 10 miljoonasosaa asteesta, joka on absoluuttisen nollan yläpuolella. Sitten atomit lastataan tyhjiökammioon ja lämpösuojausympäristöön. Mittauslaseri säteilytetään atomien läpi ja heijastuu takaisin itseensä, jolloin muodostuu ”hila”, joka vangitsee atomit seisovan valon aallon korkean energian osiin kuin juokseva aalto, kuten tyypillinen laserosoitin.
Mittausten "vakauden" ja "toistettavuuden" parantaminen, jolle ytterbiumkellot myös asettavat uusia ennätyksiä, auttaa edelleen ottamaan huomioon kaikki kelloihin vaikuttavat ulkoiset voimat. Kellojen stabiilisuus on olennaisesti mitata kuinka paljon taajuus muuttuu ajan myötä, mikä on mitattu Yb-1: lle ja Yb-2: lle 3, 2 osassa 10 19 : ssä päivän aikana. Toistettavuus on mitta siitä, kuinka lähellä kaksi kelloa vastaavat toisiaan, ja 10 vertailun avulla taajuusero Yb-1: n ja Yb-2: n välillä on määritetty olevan alle miljardi miljardia.
"On erittäin tärkeää, että meillä on kaksi kelloa", McGrew sanoo. ”Epävarmuudelle on ominaista se, että tutkitaan jokaista siirtymää, joka voi muuttaa siirtymätaajuutta. Aina on kuitenkin mahdollista tapahtua ”tuntemattomia tuntemattomia”, joita ei vielä ymmärretä. Kaikilla järjestelmillä on mahdollista tarkistaa epävarmuustekijöidesi karakterisointi näkemällä, ovatko nämä kaksi itsenäistä järjestelmää sopusoinnussa keskenään. "
Sellaista tarkkuutta ajan mittaamisessa ovat jo tutkijat käyttäneet, mutta toisen parannettujen mittausten käytännön sovelluksiin sisältyy eteneminen navigoinnissa ja viestinnässä. Vaikka kukaan ei olisi voinut tietää sitä tuolloin, varhainen työskentely atomikellojen kanssa 1900-luvun puolivälissä mahdollistaisi viime kädessä globaalin paikannusjärjestelmän ja jokaisen siihen tukeutuvan teollisuuden ja tekniikan.
"En usko, että voisin ennustaa täysin, mitkä sovellukset hyötyvät siitä parhaiten 20 tai 50 vuodessa, mutta voin sanoa, että kun katson historiaa, joitain atomikellojen nykyisin syvimmistä vaikutuksista ei odotettu, ”Ludlow sanoo.
Yhden NIST: n ytterbium-optisen hilakellon keltaiset laserit. (Nate Phillips / NIST) Ytterbium-kelloja voidaan käyttää myös edistyneessä fysiikan tutkimuksessa, kuten gravitaatiokenttien mallintamisessa ja tumman aineen tai gravitaatioaaltojen mahdollisessa havaitsemisessa. Kellot ovat pohjimmiltaan niin herkkiä, että muuttuvat painovoiman tai muiden fysikaalisten voimien aiheuttamat häiriöt voitaisiin havaita. Jos sijoittaisit useita ytterbiumkelloja ympäri maailmaa, voisit mitata hetkelliset muutokset painovoimassa (joka on voimakkaampi lähempänä merenpintaa kuin myös lähempänä napoja), jolloin tutkijat voivat mitata maan gravitaatiokentän muodon tarkemmin kuin koskaan. ennen. Samoin voitiin havaita vuorovaikutus tumman aineen hiukkasten kanssa tai jopa mahdollisesti gravitaatioaallot, jotka vaikuttavat kahta toisistaan leviävää kelloa.
”Tieteellisesti käytämme tätä hämmästyttävää tarkkuutta jo tänään joihinkin näistä fysiikan tutkimuksista - etsimässä pimeää ainetta, etsiessä variaatioita perusvakioista, etsimällä rikkomuksia joihinkin Einsteinin teorioihin ja muihin. ... Jos löydämme koskaan [fysiikan lakien] rikkomuksia käyttämällä näitä uskomattomia mittausvälineitä, se voi olla valtava pelimuuttaja ymmärryksessämme maailmankaikkeudesta, ja siksi kuinka tiede ja tekniikka kehittyvät sieltä eteenpäin. "
Noin seuraavan kymmenen vuoden aikana on mahdollista, että maailman mittaustieteen laitokset päättävät määritellä toisen uudelleen optisen kellon eikä cesiumkellon perusteella. Tällainen uudelleenmäärittely on todennäköisesti väistämätöntä, koska optiset laserit toimivat paljon korkeammilla taajuuksilla kuin mikroaallot, mikä lisää sekunnissa olevan kellon "tikkujen" määrää. Ytterbiumkellon mittaus olisi hyvä ehdokas uudelle määritelmälle, mutta elohopeaa ja strontiumia käyttävät optiset hilakellot ovat myös tuottaneet lupaavia tuloksia, ja ionioptiset kellot, jotka suspendoivat ja muuttavat yhden atomin, tarjoavat toisen kiehtovan mahdollisuuden uudelle määritelmälle.
Nämä atomi-ilmiöiden mittaukset ovat entistä tarkempia, ja missä ajan kehittyvä ymmärrys meihin vie, sitä on mahdotonta tietää.
