Atomski sat dolazi u mnogim sortama. Neki su elektronika veličine čipa, razvijena za vojsku, ali dostupna u prodaji, dok veći i precizniji atomski satovi prate vrijeme na GPS satelitima. Ali svi atomski satovi rade po istom principu. Čisti atomi - neki satovi koriste cezij, drugi koriste elemente poput rubidija - imaju određeni broj valentnih elektrona ili elektrona u vanjskoj ljusci svakog atoma. Kada su atomi pogođeni specifičnom frekvencijom elektromagnetskog zračenja (na primjer valovi svjetlosti ili mikrovalne), valencijski elektroni prelaze između dva energetska stanja.
Šezdesetih godina prošlog stoljeća znanstvenici su se odvratili od mjerenja vremena temeljenog na orbitama i rotacijama nebeskih tijela i počeli su upotrebljavati te satove temeljene na načelima kvantne mehanike. Možda se čini čudnim načinom mjerenja vremena, ali trajanje određenog broja oscilacija ili "krpelja" u valu elektromagnetskog zračenja službena je metoda kojom znanstvenici definiraju drugo. Naime, sekunda je trajanje 9, 192, 631, 770 oscilacija mikrovalnog lasera koje će uzrokovati prijelaz atoma cezija.
Ali imamo čak i bolje atomske satove od onih koji mjere cezij.
"Da su naša dva sata s iterbijem pokrenuta na početku svemira, u ovom se trenutku ne bi složili jedni s drugima za manje od jedne sekunde", kaže William McGrew, fizičar Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) ), u e-poruci.
NIST-ov ultrastabilan atomski sat sa rešetkama. Atomi iterbija stvaraju se u pećnici (veliki metalni cilindar na lijevoj strani) i šalju se u vakuumsku komoru u sredini fotografije kako bi laseri mogli manipulirati i sondirati. Lasersko svjetlo na sat prenosi pet vlakana (poput žutog vlakana u donjem središtu fotografije). (James Burrus / NIST) Satovi iterbija u NIST-u, Yb-1 i Yb-2, jedinstvena su vrsta atomskog sata poznata kao optički rešetkasti sat. U osnovi, satovi koriste elektromagnetsko zračenje u optičkoj frekvenciji ili lasere kako bi uhvatili tisuće atoma yterbijuma, a zatim prouzročili prijelaz njihovih vanjskih elektrona između zemaljskog energetskog stanja i pobuđenog energetskog stanja. U usporedbi s cezijom, potrebna je veća frekvencija elektromagnetskog zračenja koja uzrokuje prijelaz itterbija.
Svi elektromagnetski valovi, od radio valova do gama zraka, i sva vidljiva svjetlost između njih, isti su tip valova sastavljenih od fotona - razlika je jednostavno u tome što valovi s višim frekvencijama brže osciliraju. Mikrotalasi, koji se koriste za prijelaz cezija, protežu se na veće valne duljine i niže frekvencije od vidljive svjetlosti. Korištenje atoma koji prelaze na višim frekvencijama ključno je za stvaranje boljeg takta. Dok je sekunda trenutno oko 9 milijardi oscilacija mikrovalova, isto bi vrijeme predstavljalo bliže 500 bilijuna oscilacija vala vidljive svjetlosti, povećavajući sposobnost znanstvenika da precizno mjere vrijeme.
Ako se mjerni laser na satu itterbija bira na točno odgovarajućoj frekvenciji, atomi itterbija će skočiti do uzbuđenog energetskog stanja. To se događa kada je laser na frekvenciji od točno 518, 295, 836, 590, 863.6 Hertz - broj "krpelja" u jednoj sekundi.
"To odgovara valnoj duljini od 578 nanometara, koja izgleda žuto za oči", kaže McGrew.
Nova mjerenja s Yb-1 i Yb-2, na čelu s McGrew-ovim timom na NIST-u, postigla su nove rekorde u tri ključna područja preciznosti mjerenja, proizvodeći, u nekim aspektima, najbolja mjerenja koja su ostvarena u drugom. Konkretno, satovi su postavili nove rekorde u sustavnoj nesigurnosti, stabilnosti i obnovljivosti. Nova mjerenja detaljno su izložena u radu objavljenom u časopisu Nature .
Optički satovi iterbija u tim su aspektima još precizniji od satova s cezijskim fontanama koji se koriste za određivanje definicije sekunde. Satovi iterbija tehnički nisu točniji od satova cezija, jer je točnost precizno koliko je mjerenje blizu službenoj definiciji, i ništa ne može biti preciznije od cezijevih satova na kojima se temelji definicija. Unatoč tome, ovdje je ključna metrička sustavna neizvjesnost - mjera koliko pomno sat shvaća pravu, nesmetanu, prirodnu oscilaciju atoma itterbija (točna frekvencija koja ih provodi).
Nova mjerenja odgovaraju prirodnoj frekvenciji unutar pogreške od 1, 4 dijela u 10 18, odnosno oko jedne milijarde milijarde. Cezijevi satovi postigli su samo sustavnu nesigurnost od oko jednog dijela u 10 16 . Dakle, u usporedbi s cezijevim satovima, nova mjerenja itterbija "bila bi sto puta bolja", kaže Andrew Ludlow, NIST-ov fizičar i koautor rada.
Izazov s tim vrstama mjerenja je suočavanje s vanjskim čimbenicima koji mogu utjecati na prirodnu frekvenciju atoma yterbijuma - a budući da su to neka od najosjetljivijih mjerenja ikad postignutih, svaki fizički učinak svemira je faktor. "Gotovo sve što bismo sada mogli proizvoljno misliti naposljetku ima neki utjecaj na frekvenciju oscilacije atoma", kaže Ludlow.
Vanjski učinci koji pomiču prirodnu frekvenciju satova uključuju zračenje crnih tijela, gravitaciju, električna polja i neznatne sudare atoma. "Provodimo puno svog vremena pokušavajući pažljivo proći i ... shvatiti tačno sve efekte koji su bitni za kvarenje brzine otkucavanja sata - tu tranzicijsku frekvenciju - i ulazimo i vršimo mjerenja onih na stvarnim atomima kako bismo ih okarakterizirali i pomogli nam da shvatimo koliko dobro možemo stvarno kontrolirati i mjeriti te učinke. "
Da bi se smanjili učinci ovih prirodnih fizičkih čimbenika, atomi itterbija, koji prirodno nastaju u nekim mineralima, prvo se zagrijavaju do plinovitog stanja. Zatim se lasersko hlađenje upotrebljava za smanjenje temperature atoma sa stotina stupnjeva kelvina na nekoliko tisuća dijelova stupnja, a zatim se dodatno hladi na temperature od oko 10 mikrokelvina, ili na 10 milijuna stupnjeva više od apsolutne nule. Atomi se zatim učitavaju u vakuumsku komoru i u termički zaštitnom okruženju. Mjerni laser zrači kroz atome i reflektira se natrag na sebe, stvarajući "rešetku" koja hvata atome u visokoenergetskim dijelovima stojećeg vala svjetlosti, a ne trkaćeg vala, poput tipičnog laserskog pokazivača.
Poboljšanje „stabilnosti“ i „obnovljivosti“ mjerenja, za koje su iterbijski satovi također postavili nove rekorde, pomaže u daljnjem obračunu bilo kakvih vanjskih sila koje utječu na satove. Stabilnost takta u osnovi je mjera kolike se frekvencije mijenjaju tijekom vremena, što je izmjereno za Yb-1 i Yb-2 u 3, 2 dijela u 10 19 tokom dana. Reproducibilnost je mjera koliko se dva sata međusobno podudaraju, a kroz 10 usporedba utvrđena je razlika u frekvenciji između Yb-1 i Yb-2 manja od milijardu milijardi.
"Ključno je imati dva sata", kaže McGrew. „Nesigurnost je karakterizirana ispitivanjem svakog pomaka koji bi mogao promijeniti frekvenciju prijelaza. Međutim, uvijek postoji mogućnost "nepoznatih nepoznanica" pomaka koji još nisu razumljeni. Imajući dva sustava, moguće je provjeriti vašu karakterizaciju neizvjesnosti ako vidite da li se dva neovisna sustava međusobno slažu. "
Takvu preciznost u mjerenju vremena znanstvenici već koriste, ali praktične primjene poboljšanih mjerenja drugog uključuju napredak u navigaciji i komunikacijama. Iako to nitko tada nije mogao znati, rani rad s atomskim satovima sredinom 20. stoljeća konačno bi omogućio Globalni sustav za pozicioniranje i svaku industriju i tehnologiju koja se na njega oslanja.
"Ne mislim da bih mogao u potpunosti predvidjeti koje će aplikacije za 20 ili 50 godina imati najviše koristi od ovoga, ali mogu reći da dok gledam u povijest, neki od najdubljih utjecaja atomskog sata danas nisu bili predviđeni, - kaže Ludlow.
Žuti laseri jednog od NIST-ovih optičkih rešetkastih satova. (Nate Phillips / NIST) Satovi iterbija mogu se koristiti i u naprednim fizikalnim istraživanjima, kao što je modeliranje gravitacijskog polja i moguće otkrivanje tamne materije ili gravitacijskih valova. U osnovi su takvi satovi toliko osjetljivi da se mogu uočiti bilo kakve smetnje zbog promjene gravitacije ili drugih fizičkih sila. Ako postavite više satova yterbijuma širom svijeta, mogli biste izmjeriti minutne promjene gravitacije (koja je jača bliže razini mora kao i bliže polovima), omogućujući znanstvenicima da mjere preciznije nego ikad preciznije mjere Zemljino gravitacijsko polje. prije. Slično, mogla bi se otkriti interakcija s česticama tamne materije ili čak eventualno gravitacijskim valovima koji utječu na dva sata koja su se raširila daleko.
„Znanstveno, danas koristimo ovu zadivljujuću preciznost za neke od ovih temeljnih fizičkih studija - tražimo tamnu materiju, tražimo varijacije osnovnih konstanti, tražimo kršenja nekih Einsteinovih teorija i drugih stvari. … Ako ikada otkrijemo bilo kakva kršenja [zakona fizike] pomoću ovih nevjerojatnih mjernih alata, to bi moglo biti ogromna promjena igre u našem razumijevanju svemira, a samim tim i kako će se nauka i tehnologija razvijati odatle. "
U sljedećih 10 godina ili manje, moguće je da će svjetske znanstvene institucije za mjerenje odlučiti redefinirati drugi na temelju optičkog sata, a ne cezijevog sata. Takva redefinicija vjerojatno je neizbježna, jer optički laseri rade na mnogo višim frekvencijama od mikrotalasa, povećavajući broj taktova koji se nalaze u sekundi. Mjerenje sata iterbija bi bio dobar kandidat za novu definiciju, ali optički rešetkasti satovi koji koriste živu i stroncij također su dali obećavajuće rezultate, a ionski optički satovi, koji jedan atom zaustavljaju i prelaze, predstavljaju još jednu intrigantnu mogućnost za novu definiciju.
Ova mjerenja atomskih pojava postaju sve preciznija, a kamo će nas odvesti naše evolucijsko razumijevanje vremena, nemoguće je znati.
