Атомски сат долази у многим варијантама. Неки су електроника величине чипа, развијена за војску, али доступна у продаји, док већи и тачнији атомски сатови прате време на ГПС сателитима. Али сви атомски сатови раде по истом принципу. Чисти атоми - неки сатови користе цезијум, други користе елементе попут рубидијума - имају одређени број валентних електрона или електрона у спољној љусци сваког атома. Када су атоми погођени специфичном фреквенцијом електромагнетног зрачења (на пример таласи светлости или микроталаси), валентни електрони прелазе између два енергетска стања.
Шездесетих година прошлог века научници су се одвратили од мерења времена на основу орбита и ротација небеских тела и почели да користе ове сатове засноване на принципима квантне механике. Можда се чини чудним начином мерења времена, али трајање одређеног броја осцилација, или „крпеља“, у таласу електромагнетног зрачења је званична метода којом научници дефинишу другу. Тачније, секунда је трајање 9, 192, 631, 770 осцилација микроталасног ласера које ће проузроковати транзицију атома цезијума.
Али имамо чак и боље атомске сатове од оних који мере цезијум.
„Да су наша два сата етробија покренута на почетку свемира, у овом тренутку би се међусобно не слагали за мање од једне секунде“, каже Виллиам МцГрев, физичар Националног института за стандарде и технологију (НИСТ) ), у е-поруци.
НИСТ-ов ултрастабилан атомски сат са решеткама. Атоми итербијума се генеришу у рерни (велики метални цилиндар са леве стране) и шаљу се у вакуумску комору у средини фотографије којом се ласери манипулишу и истражују. Ласерско светло преноси се на сат помоћу пет влакана (попут жутог влакана у доњем центру фотографије). (Јамес Буррус / НИСТ) Сатови итербија у НИСТ-у, Иб-1 и Иб-2 су јединствена врста атомског сата позната као оптички решеткасти сат. У основи, сатови користе електромагнетно зрачење у оптичкој фреквенцији или ласере да би ухватили хиљаде атома јтербијума, а затим проузроковали прелазак њихових спољних електрона између земаљског енергетског стања и побуђеног енергетског стања. У поређењу са цезијом, потребна је већа фреквенција електромагнетног зрачења да проузрокује транзицију иттербија.
Сви електромагнетни таласи, од радио таласа до гама зрака, и сва видљива светлост између њих, исте су врсте таласа сачињених од фотона - разлика је једноставно у томе што таласи са вишим фреквенцијама брже осцилирају. Микроталаси, који се користе за прелазак цезијума, протежу се у веће таласне дужине и ниже фреквенције од видљиве светлости. Употреба атома која прелази на вишим фреквенцијама је кључна за изградњу бољег такта. Док је секунда тренутно око 9 милијарди осцилација микроталасне петарде, исто време би било представљено ближим 500 билиона осцилација таласа видљиве светлости, повећавајући способност научника да прецизно мере време.
Ако се мерни ласер на сату иттербија назове на тачно одговарајућу фреквенцију, атоми итербија ће скочити до узбуђеног енергетског стања. То се догађа када је ласер на фреквенцији тачно 518, 295, 836, 590, 863.6 Хертз - број „крпеља“ у једној секунди.
"То одговара таласној дужини од 578 нанометара, која изгледа жуто за очи", каже МцГрев.
Нова мерења са Иб-1 и Иб-2, на челу са МцГрев-овим тимом на НИСТ-у, постигла су нове рекорде у три кључна подручја прецизности мерења, производећи, у неким аспектима, најбоља мерења другог икада постигнута. Конкретно, сатови су поставили нове рекорде за систематску несигурност, стабилност и обновљивост. Нова мерења су детаљно објављена у раду објављеном у часопису Натуре .
Оптички сатови итербија су у овим аспектима још прецизнији од сатова са цезијумском фонтаном који се користе за одређивање дефиниције секунде. Сатови итербијума технички нису тачнији од сатова цезијева, јер тачност је тачно колико је мерење близу званичној дефиницији, и ништа не може бити тачније од цезијевих сатова на којима се дефиниција заснива. Упркос томе, кључна метрика овде је систематска неизвесност - мерило колико тачно сат реализује истинску, несметану, природну осцилацију атома иттербија (тачна фреквенција која их тера на транзицију).
Нова мерења одговарају природној фреквенцији унутар грешке од 1, 4 дела у 10 18, односно око једне милијарде милијарде. Цезијеви сатови постигли су само систематску неизвесност од око једног дела у 10 16 . Дакле, у поређењу са цезијевим сатовима, нова мерења итербијума „била би 100 пута боља“, каже Андрев Лудлов, НИСТ физичар и коаутор рада.
Изазов овим врстама мерења је суочавање са спољашњим факторима који могу утицати на природну фреквенцију атома итербијума - а пошто су ово нека од најосетљивијих мерења икада постигнутих, сваки физички ефекат универзума је фактор. "Скоро све што бисмо сада могли произвољно да мислимо на крају има неки утицај на фреквенцију осцилације атома", каже Лудлов.
Спољни ефекти који померају природну фреквенцију сатова укључују зрачење црних тела, гравитацију, електрична поља и незнатне сударе атома. „Проводимо пуно свог времена покушавајући да пажљиво прођемо и… тачно схватимо све ефекте који су релевантни за кварење брзине откуцавања сата - ту фреквенцију прелаза - и улазимо и вршимо мерења оних на стварним атомима како бисмо их окарактерисали и помогли нам да схватимо колико добро можемо стварно да контролишемо и меримо те ефекте. "
Да би се смањили утицаји ових природних физичких фактора, атоми иттербија, који природно настају у неким минералима, прво се загревају до гасовитог стања. Затим се користи ласерско хлађење да се температура атома смањи са стотина степени келвина на неколико хиљадних степени, а затим се даље охлади на температуре од око 10 микрокелвина, или на 10 милиона степени изнад апсолутне нуле. Атоми се затим учитавају у вакуумску комору и термално заштитно окружење. Ласер за мерење зрачи кроз атоме и рефлектира се назад на себе, стварајући „решетку“ која заробљава атоме у високоенергетским деловима стојећег таласа светлости, уместо тркаћег таласа, као што је типични ласерски показивач.
Побољшање „стабилности“ и „обновљивости“ мерења, за које су итербијумски сатови такође поставили нове рекорде, помаже у даљем обрачуну било каквих спољних сила које утичу на сатове. Стабилност такта је у суштини мерило колико се фреквенција мења током времена, која је измерена за Иб-1 и Иб-2 у 3, 2 дела у 10 19 током дана. Репродуцибилност је мјера колико се та два сата међусобно подударају, а кроз 10 упоређења утврђена је разлика у фреквенцији између Иб-1 и Иб-2 мања од милијарду милијарде.
„Кључно је имати два сата“, каже МцГрев. „Неизвесност се карактерише испитивањем сваке промене која би могла променити фреквенцију преласка. Међутим, увек постоји могућност „непознатих непознаница“, промене које још увек нису разумете. Имајући два система, могуће је проверити вашу карактеризацију несигурности тако што ћете видети да ли се два независна система међусобно слажу. "
Такву прецизност у мерењу времена научници већ користе, али практичне примене побољшаних мерења другог укључују напредак у навигацији и комуникацијама. Иако то нико тада није могао знати, рани рад с атомским сатовима средином 20. века коначно би омогућио Глобални систем за позиционирање и сваку индустрију и технологију која се на њега ослања.
„Не мислим да бих могао у потпуности предвидјети које ће апликације за 20 или 50 година имати највише користи од овога, али могу рећи да док гледам у историју, неки од најдубљих утицаја атомског сата данас нису били предвиђени, ”Каже Лудлов.
Жути ласери једног од НИСТ-ових оптичких решеткастих сатова. (Нате Пхиллипс / НИСТ) Сатови итербија би се такође могли користити у напредним физичким истраживањима, као што су моделирање гравитационог поља и могуће откривање тамне материје или гравитационих таласа. У основи, сатови су толико осетљиви да би се могле открити било какве сметње услед промене гравитације или других физичких сила. Ако поставите више сатова итербијума широм света, могли бисте мерити минутне промене гравитације (која је јача ближе нивоу мора као и ближе половима), омогућавајући научницима да мере прецизније него икад прецизније облик Земљине гравитационог поља. пре него што. Слично томе, може се открити интеракција са честицама тамне материје или чак евентуално гравитационим таласима који утичу на два сата која су се раширила далеко.
„Научно, данас користимо ову невероватну прецизност за неке од ових основних студија физике - тражимо тамну материју, тражимо варијације основних константи, тражимо кршења у неким Еинстеиновим теоријама и друге ствари. … Ако икада откријемо било каква кршења [закона физике] користећи ове невероватне алате за мерење, то би могло бити велика промена игре у нашем разумевању универзума, а самим тим и како ће се наука и технологија развијати одатле. "
У наредних 10 година или тако нешто, могуће је да ће светске научне институције за мерење одлучити да редефинишу други на основу оптичког сата, а не цезијевог сата. Таква редефиниција је вероватно неизбежна, јер оптички ласери раде на много вишим фреквенцијама од микроталаса, повећавајући број „крпеља“ такта садржаних у секунди. Мерење сата итербија би био добар кандидат за нову дефиницију, али оптички решеткасти сатови који користе живу и стронцијум такође су дали обећавајуће резултате, а јонски оптички сатови који суспендују и прелазе један атом представљају другу интригантну могућност за нову дефиницију.
Ова мерења атомских појава постају све прецизнија, а где ће нас одвести време које се развија, немогуће је знати.
