Az atomóra sokféle változatban kapható. Néhány chip méretű elektronika, amelyet a katonaság számára fejlesztettek ki, de jelenleg kereskedelemben is elérhető, míg a nagyobb és pontosabb atomórák nyomon követik az időt a GPS műholdakon. De az összes atomóra ugyanazon az elven működik. Tiszta atomok - egyes órák céziumot használnak, mások olyan elemeket használnak, mint a rubídium -, és bizonyos számú vegyérték-elektron vagy elektron van az egyes atomok külső héjában. Amikor az atomokat meghatározott elektromágneses sugárzási frekvencia (például fényhullámok vagy mikrohullámok) sújtja, a vegyérték elektronok átmennek két energiaállapot között.
Az 1960-as években a tudósok elmenekültek az idő mérésétől az égi testek keringésein és forgásain alapulva, és ezeket az órákat a kvantummechanika alapelvein alapozták. Az idő mérésének furcsa módja lehet, de az elektromágneses sugárzás hullámában meghatározott számú rezgés, vagy „kullancs” időtartama a hivatalos módszer, amellyel a tudósok meghatározzák a másodikat. Pontosabban, a második egy mikrohullámú lézer 9192, 631, 770 rezgésének időtartama, amely cézium-atomok átmenetet idéz elő.
De még jobb atomi óráink vannak, mint azok, amelyek mérik a céziumot.
"Ha a két ytterbium óránkat az univerzum elején indítanánk, akkor ebben az időben kevesebb mint egy másodperc alatt nem értenek egyet egymással" - mondja William McGrew, a Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) fizikusa. ), egy e-mailben.
A NIST rendkívül stabil ytterbium rácsos atomórája. Az itterbium atomokat egy kemencében generálják (bal oldalon egy nagy fém henger), majd a fénykép közepén lévő vákuumkamrába küldik, hogy a lézerekkel manipulálhassák és vizsgálják. A lézerfényt öt szála továbbítja az órára (például a fénykép alsó közepén lévő sárga szálat). (James Burrus / NIST) A NIST, Yb-1 és Yb-2 ytterbium órái egyedi típusú atomóra, optikai rácsos óra néven ismertek. Az órák alapvetően az elektromágneses sugárzást használják az optikai frekvencián, vagy a lézereket, hogy csapdába ejtsék az ytterbium atomok ezreit, és ezáltal külső elektronjaik átmenetet indulnak a földi energiaállapot és az gerjesztett energiaállapot között. A céziumhoz képest magasabb elektromágneses sugárzás frekvenciára van szükség az ytterbium átmenetéhez.
Az összes elektromágneses hullám, a rádióhulláktól a gamma-sugarakig, és a közöttük lévő összes látható fény azonos típusú hullámok, amelyek fotonokból állnak - a különbség egyszerűen az, hogy a magasabb frekvenciájú hullámok gyorsabban oszcillálnak. A cézium átmenetére használt mikrohullámok hosszabb hullámhosszokra és alacsonyabb frekvenciákra vannak feszítve, mint a látható fény. Az atomok felhasználásával az átmenet magasabb frekvencián kulcsfontosságú a jobb óra felépítéséhez. Míg a másodperc jelenleg körülbelül 9 milliárd mikrohullámú oszcilláció, addig ugyanazt az időtartamot képviselik a látható fényhullám 500 billió oszcillációja, ami növeli a tudósok azon képességét, hogy pontosan mérjék az időt.
Ha egy ytterbiumóra mérő lézerét pontosan a megfelelő frekvenciára tárcsázza, akkor az ytterbium atomjai felugrik a gerjesztett energiaállapotba. Ez akkor fordul elő, amikor a lézer pontosan 518 295 836 590 883, 6 Hertz frekvencián van - az egy másodpercen belül a „kullancsok” száma.
"Ez egy 578 nanométer hullámhossznak felel meg, amely a szemnek sárga színűnek tűnik" - mondja McGrew.
Az Yb-1-vel és az Yb-2-vel végzett új mérések, amelyeket a NIST-nél működő McGrew csapata vezet, új mérési eredményeket értek el a mérés pontosságának három kulcsfontosságú területén, bizonyos értelemben a második mérés legjobb eredményeit eredményezve. Pontosabban, az órák új rekordokat állítanak fel a szisztematikus bizonytalanság, stabilitás és reprodukálhatóság szempontjából. Az új méréseket részletesebben egy ma, a Nature kiadványában közzétett cikk tartalmazza.
Az iterbium optikai órák még pontosabbak ezekben a szempontokban, mint a cézium szökőkút órák, amelyeket a másodperc meghatározásának meghatározására használnak. Az iterbium órák technikailag nem pontosabbak, mint a cézium órák, mivel a pontosság pontosan azt jelenti, hogy a mérés milyen közel áll a hivatalos meghatározáshoz, és semmi sem lehet pontosabb, mint a cézium órák, amelyeken a meghatározás alapul. Ennek ellenére a kulcsfontosságú mutató itt a szisztematikus bizonytalanság - annak mértéke, hogy az óra mennyire valósítja meg az ytterbium atomok valódi, zavart, természetes oszcillációját (a frekvencia, amely az átmenetet okozzák).
Az új mérések megegyeznek a természetes frekvenciával, amelynek hibaaránya 10 részben 1, 4 rész, vagyis körülbelül egymilliárdodrány. A céziumórák csak szisztematikus bizonytalanságot értek el 10 10 körülbelül egy részben. Tehát a cézium órákhoz képest az új ytterbium-mérések „százszor jobbak lennének” - mondja Andrew Ludlow, a NIST fizikusa és a cikk társszerzője.
Az ilyen típusú méréseknél a kihívás olyan külső tényezőkkel foglalkozik, amelyek befolyásolhatják az ytterbium-atomok természetes frekvenciáját - és mivel ezek a valaha elért legérzékenyebb mérések, az univerzum minden fizikai hatása tényező. "Szinte bármi, amire önkényesen gondolhatunk, végül valamilyen hatással van az atom oszcillációs frekvenciájára" - mondja Ludlow.
Az órák természetes frekvenciáját elmozdító külső hatások magukban foglalják a fekete test sugárzását, a gravitációt, az elektromos mezőket és az atomok enyhe ütközését. „Nagyon sok időt töltenek arra, hogy körültekintően átéljük és… pontosan megértsük azokat az összes hatást, amelyek relevánsak az óra ketyegési sebességének - az átmeneti frekvencianak - elrontásához, valamint a tényleges atomokon belüli mérésekhez és mérésekhez. hogy jellemezzük őket és segítsen nekünk kitalálni, mennyire tudjuk ezeket a hatásokat valóban ellenőrizni és mérni. ”
E természetes fizikai tényezők hatásainak csökkentése érdekében az ytterbium-atomokat, amelyek természetesen előfordulnak néhány ásványban, először gázneműre hevítik. Ezután lézerhűtéssel csökkentjük az atomok hőmérsékletét kelvin fokoktól néhány ezredfokig, majd tovább hűtjük körülbelül 10 mikrokelvin hőmérsékletre, vagyis az abszolút nulla feletti fok 10 milliomodjára. Az atomokat ezután vákuumkamrába és hővédő környezetbe töltik. A mérő lézert az atomokon keresztül sugárzzák fel és visszatükröződnek önmagában, és létrehozzák azt a „rácsot”, amely az atomokat csapdába helyezi egy álló fényhullám nagy energiájú részeiben, nem pedig a futó hullámban, például egy tipikus lézermutatóban.
A mérések „stabilitásának” és „reprodukálhatóságának” javítása, amelyekre az ytterbium órák szintén új rekordokat állítottak fel, segít az órák további befolyásolásában. Az órák stabilitása lényegében azt jelzi, hogy a frekvencia mennyiben változik az idő múlásával. Ezt Yb-1-re és Yb-2-ra mértük 3, 2 részre 10 19-ben egy nap folyamán. A reprodukálhatóság azt jelzi, hogy a két óra milyen közel áll egymáshoz, és 10 összehasonlítás segítségével megállapítottuk, hogy az Yb-1 és az Yb-2 közötti frekvenciakülönbség kevesebb, mint egymilliárd milliárd rész.
"Alapvető fontosságú, hogy két óra legyen" - mondja McGrew. „A bizonytalanságot az jellemzi, hogy megvizsgálunk minden olyan műszakot, amely megváltoztathatja az átmeneti frekvenciát. Mindig van lehetőség az ismeretlen ismeretlen változásokra, amelyeket még nem értünk meg. Két rendszerrel ellenőrizheti a bizonytalanság jellemzését azzal, hogy a két független rendszer megegyezik-e egymással. ”
Az időmérés ilyen pontosságát a tudósok már használják, de a második mérés javított mérésének gyakorlati alkalmazása magában foglalja a navigáció és a kommunikáció fejlődését. Noha akkoriban senki nem tudhatta volna, az atomórákkal való korai munka a 20. század közepén végül lehetővé tenné a globális helymeghatározó rendszert, és minden iparágot és technológiát, amelyre támaszkodik.
"Nem hiszem, hogy teljes mértékben meg tudtam volna jósolni, hogy 20 vagy 50 év alatt milyen alkalmazások származnak a legjobban ebből a célból, de elmondhatom, hogy a történelemre visszatekintve az atomórák manapság a legmélyebb hatásait nem várták előre, - mondja Ludlow.
A NIST egyik ytterbium optikai rácsórájának sárga lézerei. (Nate Phillips / NIST) Az ytterbium órákat fel lehetne használni a fejlett fizikai kutatásokban is, mint például a gravitációs tér modellezése és a sötét anyag vagy a gravitációs hullámok lehetséges detektálása. Az órák alapvetően annyira érzékenyek, hogy bármiféle zavart vagy változást okozó gravitáció vagy más fizikai erők hatására észlelhetőek legyenek. Ha több ytterbium órát helyezte el a világ körül, akkor meg lehet mérni a gravitáció perc változásait (ami erősebb a tenger szintjéhez közelebb, és közelebb a pólusokhoz), lehetővé téve a tudósoknak, hogy a Föld gravitációs mezőjének alakját pontosabban mérjék, mint valaha előtt. Hasonlóképpen, a sötét anyag részecskékkel való interakciót, vagy akár a gravitációs hullámokat esetleg két, egymástól messze elterülő órát érintve is kimutatható volt.
„Tudományos szempontból ma már ezt a csodálatos pontosságot alkalmazzuk ezeknek az alapvető fizikai tanulmányoknak - a sötét anyag keresésére, az alapvető állandók variációinak keresésére, az Einstein-elméletek és más dolgok megsértésének keresésére. … Ha ezeket a hihetetlen mérési eszközöket bármikor felfedezzük [a fizikai törvények], az hatalmas játékváltó lehet az univerzum megértésében, és ezáltal hogyan fejlődik majd a tudomány és a technológia onnan ki ”.
Körülbelül a következő 10 évben elképzelhető, hogy a világ mérési tudományos intézményei úgy döntenek, hogy a másodikat optikai óra, nem cézium óra alapján határozzák meg. Egy ilyen újradefiniálás valószínűleg elkerülhetetlen, mivel az optikai lézerek sokkal magasabb frekvencián működnek, mint a mikrohullámok, ezzel növelve az óra „kullancsának” számát a másodpercben. Az ytterbium-óra mérése jó jelölés lehet az új meghatározáshoz, de a higanyt és stronciumot használó optikai rácsórák szintén ígéretes eredményeket hoztak, és az ionoptikai órák, amelyek egyetlen atomot felfüggesztenek és átmentek, újabb érdekes lehetőséget kínálnak az új meghatározáshoz.
Az atomi jelenségek ezen mérése egyre pontosabbá válik, és hogy az idő fejlődő megértése mi elvisz minket, lehetetlen tudni.
