Atomklokken kommer i mange varianter. Noen er elektronikk av chipstørrelse, utviklet for militæret, men tilgjengelig kommersielt nå, mens større og mer nøyaktige atomklokker holder oversikt over tid på GPS-satellitter. Men alle atomklokker fungerer etter samme prinsipp. Rene atomer - noen klokker bruker cesium, andre bruker elementer som rubidium - har et visst antall valenselektroner, eller elektroner i det ytre skallet til hvert atom. Når atomene blir truffet med en spesifikk frekvens av elektromagnetisk stråling (for eksempel lysbølger eller mikrobølger), overgår valenselektronene mellom to energitilstander.
På 1960-tallet vendte forskere seg fra å måle tid basert på bane og rotasjoner av himmellegemer og begynte å bruke disse klokkene basert på prinsippene for kvantemekanikk. Det kan virke som en merkelig måte å måle tid på, men varigheten av et bestemt antall svingninger, eller "flått", i en bølge av elektromagnetisk stråling, er den offisielle metoden som forskere definerer det andre. Spesielt et sekund er varigheten av 9192 631 770 svingninger av en mikrobølgelaser som vil føre til at cesiumatomer går over.
Men vi har enda bedre atomur enn de som måler cesium.
"Hvis våre to ytterbium-klokker hadde blitt startet i begynnelsen av universet, ville de på dette tidspunktet være uenige med hverandre med mindre enn ett sekund, " sier William McGrew, fysiker ved National Institute of Standards and Technology (NIST) ), i en e-post.
NISTs ultra-stabile ytterbium-gitter atomklokke. Ytterbiumatomer blir generert i en ovn (stor metallsylinder til venstre) og sendt til et vakuumkammer i midten av bildet for å bli manipulert og sonderet av lasere. Laserlys transporteres til klokken med fem fibre (for eksempel den gule fiberen i nedre sentrum av bildet). (James Burrus / NIST) Ytterbium-klokkene på NIST, Yb-1 og Yb-2, er en unik type atomur kjent som en optisk gitterklokke. I hovedsak bruker klokkene elektromagnetisk stråling i den optiske frekvensen, eller lasere, for å felle tusenvis av ytterbiumatomer og deretter føre til at deres ytre elektroner overgår mellom en jordenergitilstand og en opphisset energitilstand. Sammenlignet med cesium er en høyere frekvens av elektromagnetisk stråling nødvendig for å føre til at ytterbium går over.
Alle elektromagnetiske bølger, fra radiobølger til gammastråler, og alt det synlige lyset derimellom, er samme type bølger som består av fotoner - forskjellen er ganske enkelt at bølger med høyere frekvens svinger raskere. Mikrobølger, som brukes til å overføre cesium, blir strukket til lengre bølgelengder og lavere frekvenser enn synlig lys. Å bruke atomer som overgår ved høyere frekvenser er nøkkelen til å bygge en bedre klokke. Mens et sekund for øyeblikket er omtrent 9 milliarder svingninger av en mikrobølgeovn, vil den samme tidsvarigheten være representert ved nærmere 500 billioner svingninger av en bølge med synlig lys, noe som forbedrer forskernes evne til å måle tiden nøyaktig.
Hvis målelaseren på en ytterbium-klokke ringes inn til nøyaktig riktig frekvens, vil ytterbium-atomer hoppe opp til den eksiterte energitilstanden. Dette skjer når laseren har en frekvens på nøyaktig 518, 295, 836, 590, 863, 6 Hertz - antallet “flått” på ett sekund.
"Dette tilsvarer en bølgelengde på 578 nanometer, som virker gul for øyet, " sier McGrew.
Nye målinger med Yb-1 og Yb-2, ledet av McGrews team på NIST, har oppnådd nye rekorder på tre viktige måleområder for målepresisjon, og produserer i noen henseender de beste målingene til det andre noensinne oppnådd. Spesielt satte klokkene nye rekorder for systematisk usikkerhet, stabilitet og reproduserbarhet. De nye målingene er detaljert i et papir publisert i dag i Nature .
De optiske ytterbiumklokkene er enda mer presise i disse aspektene enn cesiumfontene klokker som brukes til å bestemme definisjonen av et sekund. Ytterbium-klokkene er teknisk sett ikke mer nøyaktige enn cesiumklokkene, ettersom nøyaktighet spesifikt er hvor nær en måling er til den offisielle definisjonen, og ingenting kan være mer nøyaktig enn cesiumklokkene som definisjonen er basert på. Likevel er nøkkelmetriken her systematisk usikkerhet - et mål på hvor tett klokken realiserer den sanne, uforstyrrede, naturlige svingningen av ytterbiumatomer (den nøyaktige frekvensen som får dem til å gå over).
De nye målingene samsvarer med den naturlige frekvensen innenfor en feil på 1, 4 deler i 10 18, eller omtrent en milliarddel av en milliarddel. Cesiumklokkene har bare oppnådd en systematisk usikkerhet på omtrent en del av 10 16 . Så sammenlignet med cesiumklokkene, ville de nye ytterbium-målingene “være 100 ganger bedre, ” sier Andrew Ludlow, en NIST-fysiker og medforfatter av papiret.
Utfordringen med denne typen målinger er å håndtere ytre faktorer som kan påvirke den naturlige frekvensen av ytterbiumatomer - og fordi dette er noen av de mest følsomme målingene som noen gang er oppnådd, er hver fysisk effekt av universet en faktor. "Nesten alt som vi vilkårlig kunne tenke på akkurat nå, har etter hvert en viss effekt på atomens svingningsfrekvens, " sier Ludlow.
De ytre effektene som forskyver klokkens naturlige frekvens inkluderer svartkroppsstråling, tyngdekraft, elektriske felt og lette kollisjoner av atomene. "Vi bruker mye av tiden vår på å prøve å gå nøye gjennom og ... forstå nøyaktig alle effektene som er relevante for å rote klokkefrekvensen på klokken - den overgangsfrekvensen - og gå inn og foreta målinger av de på de faktiske atomene. å karakterisere dem og hjelpe oss med å finne ut hvor godt vi virkelig kan kontrollere og måle disse effektene. ”
For å redusere effekten av disse naturlige fysiske faktorene blir ytterbiumatomene, som forekommer naturlig i noen mineraler, først oppvarmet til en gassform. Deretter brukes laserkjøling for å redusere temperaturen på atomene fra hundrevis av grader kelvin til noen tusendels grad, og deretter avkjølt ytterligere til temperaturer på omtrent 10 mikrokelvin, eller 10 milliondeler av en grad over absolutt null. Atomene blir deretter lastet inn i et vakuumkammer og et termisk skjermingsmiljø. Målelaseren stråles gjennom atomene og reflekteres tilbake på seg selv, og skaper ”gitteret” som feller atomene i deler av høy energi i en stående lysbølge, i stedet for en løpebølge, for eksempel en typisk laserpeker.
Forbedring av "stabiliteten" og "reproduserbarheten" av målingene, som ytterbium-klokkene også satte nye rekorder for, bidrar til ytterligere redegjørelse for eventuelle ytre krefter som påvirker klokkene. Klokkenes stabilitet er i hovedsak et mål på hvor mye frekvensen endrer seg over tid, som har blitt målt for Yb-1 og Yb-2 på 3, 2 deler i 10 19 i løpet av en dag. Reproduserbarhet er et mål på hvor nært de to klokkene samsvarer med hverandre, og gjennom 10 sammenligninger har frekvensforskjellen mellom Yb-1 og Yb-2 blitt bestemt til å være mindre enn en milliarddel av en milliarddel.
"Det er avgjørende å ha to klokker, " sier McGrew. Usikkerhet er preget av å undersøke hvert skift som kan endre overgangsfrekvensen. Imidlertid er det alltid muligheten for 'ukjente ukjente', skift som ennå ikke er forstått. Ved å ha to systemer er det mulig å sjekke karakterisering av usikkerhet ved å se om de to uavhengige systemene er enige med hverandre. ”
Slik presisjon i målingstid brukes allerede av forskere, men de praktiske anvendelsene av forbedrede målinger av det andre inkluderer fremskritt innen navigasjon og kommunikasjon. Selv om ingen kunne ha visst det på det tidspunktet, ville det tidlige arbeidet med atomur på midten av 1900-tallet til slutt muliggjøre Global Positioning System og enhver industri og teknologi som er avhengig av det.
"Jeg tror ikke jeg kunne forutsi fullstendig hvilke bruksområder i løpet av 20 eller 50 år som vil dra mest nytte av dette, men jeg kan si at når jeg ser tilbake i historien, ble det ikke forventet noen av de mest dyptgripende virkningene av atomur i dag, ”Sier Ludlow.
De gule lasere fra en av NISTs ytterbium-optiske gitterklokker. (Nate Phillips / NIST) Ytterbium-klokkene kan også brukes i avansert fysikkforskning, for eksempel gravitasjonsfeltmodellering og mulig deteksjon av mørke stoffer eller gravitasjonsbølger. I hovedsak er klokkene så følsomme at det kan oppdages forstyrrelser på grunn av skiftende tyngdekraft eller andre fysiske krefter. Hvis du plasserte flere ytterbium-klokker rundt om i verden, kan du måle øyeblikkets endringer i tyngdekraften (som er sterkere nærmere havnivået og nærmere polene), slik at forskere kan måle formen på jordas gravitasjonsfelt med mer presisjon enn noen gang før. Tilsvarende kan det påvises en interaksjon med mørkstoffpartikler, eller til og med muligens gravitasjonsbølger som påvirker to klokker spredt langt fra hverandre.
"Vitenskapelig bruker vi denne fantastiske presisjonen i dag allerede for noen av disse grunnleggende fysikkstudiene - på jakt etter mørk materie, på jakt etter variasjon av de grunnleggende konstantene, på jakt etter brudd i noen av Einsteins teorier og andre ting. ... Hvis vi noen gang oppdager brudd [av fysikkens lover] ved å bruke disse utrolige måleverktøyene, kan det være en enorm spillskifte i vår forståelse av universet, og derfor hvordan vitenskap og teknologi vil utvikle seg derfra og ut. ”
I løpet av de neste ti årene er det mulig at verdens vitenskapelige måleinstitusjoner vil bestemme seg for å definere det andre basert på en optisk klokke i stedet for en cesiumklokke. En slik omdefinering er sannsynligvis uunngåelig, fordi optiske lasere opererer med mye høyere frekvenser enn mikrobølger, noe som øker antallet "flått" på klokken som ligger i et sekund. En ytterbium-klokkemåling ville være en god kandidat for en ny definisjon, men optiske gitterklokker ved bruk av kvikksølv og strontium har også gitt lovende resultater, og ioniske optiske klokker, som suspenderer og overfører et enkelt atom, gir en annen spennende mulighet for en ny definisjon.
Disse målingene av atomfenomener blir mer og mer presise, og hvor vår utviklende forståelse av tid vil ta oss, er det umulig å vite.
