Aatomkella on palju erinevaid. Mõned neist on kiibisuuruses elektroonika, mis on välja töötatud sõjaväe jaoks, kuid on nüüd kaubanduslikult saadaval, samas kui suuremad ja täpsemad aatomkellad jälgivad GPS-satelliitidel aega. Kuid kõik aatomkellad töötavad samal põhimõttel. Puhtad aatomid - mõned kellad kasutavad tseesiumit, teised - elemente, näiteks rubiidiumi -, millel on teatud arv valentselektrone või elektrone iga aatomi väliskeses. Kui aatomid on löödud kindla elektromagnetilise kiirguse sagedusega (näiteks valguse lained või mikrolained), siirduvad valentselektronid kahe energiaoleku vahel.
1960ndatel pöörasid teadlased taevakehade orbiitidel ja pöörlemistel põhineva aja mõõtmise poole ning hakkasid neid kellasid kasutama kvantmehaanika põhimõtetel. See võib tunduda kummaline viis aja mõõtmiseks, kuid kindla arvu võngete ehk “puukide” kestus elektromagnetilise kiirguse laines on ametlik meetod, mille abil teadlased määratlevad teise. Täpsemalt, sekundiks on mikrolainelaseri 9 192 631 770 võnke kestus, mis põhjustab tseesiumi aatomite üleminekut.
Kuid meil on isegi paremad aatomkellad kui neil, mis mõõdavad tseesiumi.
"Kui meie kaks ytterbiumi kella oleks käivitunud universumi alguses, siis poleks nad praegusel hetkel omavahel vähem kui ühe sekundiga nõus, " ütleb riikliku standardite ja tehnoloogia instituudi (NIST) füüsik William McGrew. ), meilisõnumis.
NISTi ülimalt stabiilne ytterbium võre aatomkell. Ytterbiumi aatomid tekitatakse ahjus (vasakul suur metallist silinder) ja saadetakse foto keskel asuvasse vaakumkambrisse, et neid laseritega manipuleerida ja sondeerida. Laservalgust edastatakse kellale viis kiudu (näiteks kollane kiud foto alumises keskel). (James Burrus / NIST) NIST, Yb-1 ja Yb-2 ytterbiumi kellad on ainulaadne aatomkella tüüp, mida tuntakse optilise võrekellana. Põhimõtteliselt kasutavad kellad optilises sageduses elektromagnetilist kiirgust ehk lasereid, et püüda lõksu tuhandeid ytterbiumi aatomeid ja põhjustada nende väliste elektronide ülemineku maaenergia ja ergastatud energia oleku vahel. Võrreldes tseesiumiga on ytterbiumi ülemineku põhjustamiseks vajalik kõrgem elektromagnetilise kiirguse sagedus.
Kõik elektromagnetilised lained, alates raadiolainetest kuni gammakiirteni, ja kogu nende vahel nähtav valgus on sama tüüpi laine, mis koosneb footonitest - erinevus seisneb lihtsalt selles, et kõrgema sagedusega lained võnguvad kiiremini. Tseesiumi üleminekuks kasutatavad mikrolained venitatakse pikemaks lainepikkuseks ja madalamateks sagedusteks kui nähtav valgus. Aatomite kasutamisel on üleminek kõrgematel sagedustel parema kella loomise võti. Kui üks sekund on praegu umbes 9 miljardit mikrolaine võnget, siis sama aja kestus oleks nähtava valguse laine 500 triljoni võnkumisega lähemal, mis suurendaks teadlaste võimet aega täpselt mõõta.
Kui ytterbiumi kella mõõtelaser valitakse täpselt õige sagedusega, hüppavad ytterbiumi aatomid ergastatud energia olekusse. See juhtub siis, kui laseri sagedus on täpselt 518 295 836 590 883, 6 hertsi - ühe sekundiga puukide arv.
"See vastab lainepikkusele 578 nanomeetrit, mis paistab silma kollane, " ütleb McGrew.
NIST-i McGrewi meeskonna juhtimisel Yb-1 ja Yb-2-ga tehtud uued mõõtmised on saavutanud uued rekordid mõõtmise täpsuse kolmes võtmevaldkonnas, mis on mõnes mõttes andnud kõigi aegade parima mõõtmise. Täpsemalt püstitasid kellad uued süsteemse ebakindluse, stabiilsuse ja reprodutseeritavuse rekordid. Uutest mõõtmistest on detailsemalt juttu täna ajakirjas Nature ilmunud artiklis.
Ytterbiumi optilised kellad on nendes aspektides veelgi täpsemad kui tseesiumi purskkaevu kellad, mida kasutatakse sekundi määratlemiseks. Ytterbiumi kellad pole tehniliselt täpsemad kui tseesiumkellad, kuna täpsus tähendab konkreetselt seda, kui lähedal on mõõtmine ametlikule määratlusele, ja miski ei saa olla täpsem kui tseesiumkellad, millel määratlus põhineb. Isegi nii on siin peamiseks mõõdikuks süstemaatiline ebakindlus - mõõdetakse, kui täpselt kell realiseerib ytterbiumi aatomite tõelist, häirimatut, looduslikku võnget (täpne sagedus, mis põhjustab nende muutumist).
Uued mõõtmised vastavad loomuliku sageduse veale, mis on 1, 4 osa 10 18-st ehk umbes üks miljardik miljardist. Tseesiumkellad on saavutanud süstemaatilise määramatuse, mis on vaid umbes üks osa 10 16-st . Nii et tseesiumkelladega võrreldes oleksid uued ytterbiumi mõõtmised 100 korda paremad, "ütles NIST-i füüsik ja paberi kaasautor Andrew Ludlow.
Seda tüüpi mõõtmiste väljakutse seisneb väliste tegurite käsitlemises, mis võivad mõjutada ytterbiumi aatomite looduslikku sagedust - ja kuna need on ühed tundlikumad mõõtmised, mis eales saavutatud, on teguriks universumi iga füüsiline mõju. "Peaaegu kõik, mida me praegu meelevaldselt mõelda võiksime, mõjutab lõpuks aatomi võnkesagedust, " ütleb Ludlow.
Kellade loomulikku sagedust nihutavad välismõjud hõlmavad musta keha kiirgust, gravitatsiooni, elektrivälju ja aatomite väikseid põrkeid. "Me veedame suure osa oma ajast, et proovida hoolikalt läbi käia ja ... täpselt aru saada kõigist mõjudest, mis on olulised kella tiksumise kiiruse - selle üleminekusageduse - segamiseks ja sisenemiseks ning tegelike aatomite mõõtmiseks. neid iseloomustada ja aidata meil aru saada, kui hästi me neid mõjusid tegelikult kontrolli all hoida ja mõõta saame. ”
Nende looduslike füüsikaliste tegurite mõju vähendamiseks kuumutatakse ytterbiumi aatomid, mis esinevad looduslikult mõnedes mineraalides, kõigepealt gaasilisse olekusse. Seejärel kasutatakse aatomite temperatuuri alandamiseks sademe kraadist kraadist kraadini mõne tuhande kraadini laseriga jahutamist laseriga ja seejärel jahutatakse temperatuurini umbes 10 mikrokelvini ehk 10 miljonni kraadini üle absoluutse nulli. Seejärel laaditakse aatomid vaakumkambrisse ja termilise varjestuse keskkonda. Mõõtelaserit kiirgatakse aatomite kaudu ja peegeldatakse tagasi iseendale, luues „võre”, mis püüab aatomid kõrge energiaga osadesse seisvas valguse laines, mitte jooksvas laines, nagu tüüpiline laser-osuti.
Mõõtmiste „stabiilsuse” ja „reprodutseeritavuse” parandamine, mille jaoks ytterbium kellad seavad ka uued rekordid, aitab kellade mõjutamisel veelgi arvestada väliste jõududega. Kellade stabiilsus on sisuliselt mõõdik, kui palju aja jooksul muutub sagedus, mida on mõõdetud Yb-1 ja Yb-2 jaoks 3, 2 osaga 10 19-st päeva jooksul. Reprodutseeritavus on mõõt, mis näitab, kui lähedased kaks kella üksteisega sobivad, ja 10 võrdluse abil on Yb-1 ja Yb-2 vahelise sageduse erinevus kindlaks tehtud vähem kui miljardi miljardi kohta.
"On ülioluline, kui teil on kaks kella, " ütleb McGrew. „Ebakindlust iseloomustab iga nihke uurimine, mis võiks üleminekusagedust muuta. Siiski on alati võimalus "tundmatute tundmatute" nihkeks, mida veel ei mõisteta. Kahe süsteemi omamise abil on võimalik oma ebakindluse iseloomu kontrollida, kas kaks sõltumatut süsteemi on omavahel nõus. "
Sellist täpsust aja mõõtmisel kasutavad teadlased juba praegu, kuid teise täpsustatud mõõtmise praktilised rakendused hõlmavad edusamme navigatsioonis ja kommunikatsioonis. Ehkki keegi ei osanud seda sel ajal teada, võimaldaks 20. sajandi keskpaigas tehtud varajane aatomkelladega töötamine lõpuks globaalse positsioneerimissüsteemi ning iga sellele toetuva tööstuse ja tehnoloogia.
"Ma ei usu, et saaksin täielikult ennustada, millised rakendused 20 või 50 aasta jooksul sellest kõige rohkem kasu saavad, kuid võin öelda, et ajaloole tagasi vaadates ei osanud aatomkellade tänapäeval kõige sügavamaid mõjusid oodata, ”Ütleb Ludlow.
NIST ühe ytterbium optilise võrekella kollased laserid. (Nate Phillips / NIST) Ytterbiumi kellasid võiks kasutada ka täiustatud füüsikauuringutes, näiteks gravitatsioonivälja modelleerimisel ja tumeaine või gravitatsioonilainete võimaliku tuvastamise teel. Põhimõtteliselt on kellad nii tundlikud, et muutuva raskusjõu või muude füüsiliste jõudude põhjustatud häireid on võimalik tuvastada. Kui paigutaksite mitu ytterbiumi kella kogu maailmas, saaksite mõõta gravitatsiooni minutilisi muutusi (mis on tugevamad nii merepinnale kui ka poolustele lähemal), võimaldades teadlastel Maa gravitatsioonivälja kuju mõõta suurema täpsusega kui kunagi varem. enne. Samamoodi võib tuvastada interaktsiooni tumeda aine osakeste või isegi gravitatsiooniliste lainetega, mis mõjutavad kahte üksteisest kaugele ulatuvat kella.
„Teaduslikult kasutame seda hämmastavat täpsust juba täna mõne sellise füüsika põhiuuringu jaoks - otsides tumedat ainet, otsides põhikonstantide variatsioone, otsides rikkumisi mõnes Einsteini teoorias ja muudes. ... Kui me kunagi avastame [füüsikaseaduste] rikkumisi, kasutades neid uskumatuid mõõtmisvahendeid, võib see olla tohutu mängumuutuja meie arusaamises universumist ja seetõttu, kuidas teadus ja tehnoloogia sealt edasi arenevad. "
Umbes järgmise 10 aasta jooksul on võimalik, et maailma mõõtmisteaduslikud asutused otsustavad teise määratleda uuesti optilise kella, mitte tseesiumkella põhjal. Selline ümberdefineerimine on tõenäoliselt vältimatu, kuna optilised laserid töötavad palju suurematel sagedustel kui mikrolained, suurendades sekundis sisalduva kella "puukide" arvu. Üterbiumi kella mõõtmine oleks hea kandidaat uue määratluse jaoks, kuid ka elavhõbedat ja strontsiumi kasutavad optilised võrekellad on andnud lootustandvaid tulemusi ning ioonoptilised kellad, mis peatavad ja muudavad ühe aatomi, pakuvad veel ühe intrigeeriva võimaluse uue määratluse saamiseks.
Need aatominähtuste mõõtmised muutuvad üha täpsemaks ja seda, kuhu meie arenev arusaam ajast võtab, on võimatu teada.
