Zegar atomowy

Aby zapoznać się z zegarem aktualizowanym przez sygnały radiowe, zobacz Zegar radiowy . Aby zapoznać się z zegarem jako miarą ryzyka katastrofalnego zniszczenia, zobacz Zegar Zagłady . Aby zapoznać się z innymi tematami, zobacz Zegar atomowy (ujednoznacznienie) .

Zegar atomowy
Fizycy NIST Steve Jefferts (na pierwszym planie) i Tom Heavner z fontanną cezową zegarem atomowym NIST-F2, cywilnym standardem czasu dla Stanów Zjednoczonych
Klasyfikacja	Zegar
Przemysł	Telekomunikacja , nauka
Aplikacja	TAI , nawigacja satelitarna
Źródło paliwa	Elektryczność
Napędzany	Tak

Główny zespół zegara atomowego w Obserwatorium Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych w Waszyngtonie , który zapewnia standard czasu dla Departamentu Obrony USA. Jednostki montowane w stojaku w tle to zegary z wiązką cezu Microsemi (dawniej HP) 5071A. Czarne jednostki na pierwszym planie to wzorce maserów wodorowych Microsemi (dawniej Sigma-Tau) MHM-2010.

Zegar atomowy to zegar , który mierzy czas poprzez monitorowanie częstotliwości rezonansowej atomów. Opiera się na atomach o różnych poziomach energii . Stany elektronowe w atomie są związane z różnymi poziomami energetycznymi, a w przejściach między takimi stanami oddziałują z bardzo specyficzną częstotliwością promieniowania elektromagnetycznego . Zjawisko to służy jako podstawa sekundy w Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar (SI) :

Drugi, symbol s, to jednostka czasu w układzie SI. Jest to definiowane przez przyjęcie ustalonej wartości liczbowej częstotliwości cezu , niezakłóconej częstotliwości przejścia nadsubtelnego stanu podstawowego atomu cezu 133 do $\ Displaystyle \ Delta \ nu _ {\ mathsf {Cs}}}$ wynosi 9 192 631 770 , gdy jest wyrażona w jednostce Hz, co jest równe s ⁻¹ .

Ta definicja jest podstawą systemu Międzynarodowego Czasu Atomowego (TAI), który jest utrzymywany przez zespół zegarów atomowych na całym świecie. System skoordynowanego czasu uniwersalnego (UTC) , który jest podstawą czasu cywilnego, implementuje sekundy przestępne , aby umożliwić czasowi zegarowemu śledzenie zmian obrotu Ziemi z dokładnością do jednej sekundy, będąc jednocześnie opartym na zegarach opartych na definicji sekundy.

Dokładne możliwości zegarów atomowych do pomiaru czasu są również wykorzystywane do nawigacji przez sieci satelitarne, takie jak unijny program Galileo i amerykański GPS . Dokładność pomiaru czasu zaangażowanych zegarów atomowych jest ważna, ponieważ im mniejszy błąd pomiaru czasu, tym mniejszy jest błąd odległości uzyskany przez pomnożenie czasu przez prędkość światła ( błąd synchronizacji nanosekundy lub 1 miliardowej części sekundy ( 10-9 lub 1 / 1 000 000 000 sekund) przekłada się na prawie 30-centymetrową (11,8 cala) odległość, a tym samym błąd pozycji) ^.

Główna odmiana zegara atomowego wykorzystuje atomy cezu schłodzone do temperatur zbliżonych do zera absolutnego . Podstawowy standard dla Stanów Zjednoczonych, cezowy zegar fontannowy Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) o nazwie 10-16 ^NIST - F2 , mierzy czas z niepewnością 1 sekundy na 300 milionów lat (niepewność względna ). NIST-F2 został uruchomiony 3 kwietnia 2014 r.

Historia

Louis Essen (po prawej) i Jack Parry (po lewej) stojący obok pierwszego na świecie zegara atomowego cezu-133 (1955)

Szkocki fizyk James Clerk Maxwell zaproponował pomiar czasu za pomocą drgań fal świetlnych w swoim Traktacie o elektryczności i magnetyzmie z 1873 roku: „Bardziej uniwersalną jednostkę czasu można znaleźć, biorąc okresowy czas drgań określonego rodzaju światła, którego długość fali jest jednostką długości”. Maxwell argumentował, że byłoby to dokładniejsze niż obrót Ziemi , który określa średnią sekundę słoneczną do pomiaru czasu.

W latach trzydziestych Isidor Rabi zbudował sprzęt do zegarów częstotliwości rezonansu magnetycznego z wiązką atomową .

Dokładność zegarów mechanicznych, elektromechanicznych i kwarcowych zmniejszają wahania temperatury. Doprowadziło to do pomysłu pomiaru częstotliwości drgań atomu w celu dokładniejszego odmierzania czasu, jak zaproponowali James Clerk Maxwell, Lord Kelvin i Isidor Rabi. Zaproponował tę koncepcję w 1945 r., Co doprowadziło do zademonstrowania zegara opartego na amoniaku w 1949 r. Doprowadziło to do zbudowania pierwszego praktycznego dokładnego zegara atomowego z atomami cezu w National Physical Laboratory w Wielkiej Brytanii w 1955 r. Przez Louisa Essena we współpracy z Jackiem Parrym

Cezowy zegar atomowy z 1975 roku (część górna) i podtrzymanie bateryjne (część dolna)

W 1949 roku Kastler i Brossel opracowali technikę wykonywania przejść poziomów energii w atomach za pomocą światła, zwaną pompowaniem optycznym . Ta technika jest przydatna do tworzenia znacznie silniejszych rezonansu magnetycznego i absorpcji mikrofal. Niestety spowodowało to efekt uboczny w postaci lekkiego przesunięcia częstotliwości rezonansowej. Cohen-Tannoudji i inni zarządzali przesunięciami światła i zmniejszali je do akceptowalnych poziomów.

Ramsey opracował metodę, powszechnie znaną obecnie jako interferometria Ramseya , dla wyższych częstotliwości i węższych rezonansów w polach oscylacyjnych. Kolsky, Phipps, Ramsey i Silsbee wykorzystali tę technikę do spektroskopii wiązek molekularnych w 1950 roku.

Po 1956 roku zegary atomowe były badane przez wiele grup, takich jak National Institute of Standards and Technology (dawniej National Bureau of Standards) w USA, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) w Niemczech, National Research Council (NRC) w Kanadzie, National Physical Laboratory w Wielkiej Brytanii, International Time Bureau ( francuski : Bureau International de l'Heure , w skrócie BIH), w Obserwatorium Paryskim , National Radio Company , Bomac, Varian , Hewlett – Packard oraz Częstotliwość i czas Systemy.

W latach pięćdziesiątych National Radio Company sprzedała ponad 50 sztuk pierwszego zegara atomowego, Atomichronu . W 1964 roku inżynierowie z firmy Hewlett-Packard wypuścili model 5060 zegarów cezowych do montażu w szafie.

Definicja drugiego

W 1968 roku czas trwania sekundy określono na 9 192 631 770 drgań niezaburzonej nadsubtelnej częstotliwości przejścia w stanie podstawowym atomu cezu-133. Wcześniej definiowano go jako 31 556 925 0,9747 sekund w tropikalnym roku 1900. Definicja z 1968 r. Została zaktualizowana w 2019 r., Aby odzwierciedlić nowe definicje ampera , kelwina , kilograma i mola, które przyjęto podczas redefinicji w 2019 r. Międzynarodowy Układ Jednostek Miar . Naukowcy zajmujący się mierzeniem czasu pracują obecnie nad opracowaniem jeszcze bardziej stabilnego odniesienia atomowego dla sekundy, z planem znalezienia dokładniejszej definicji sekundy, gdy zegary atomowe udoskonalą się w oparciu o zegary optyczne lub stałą Rydberga około 2030 roku.

Postępy metrologii i zegary optyczne

Iterbowy zegar kratowy, który wykorzystuje fotony do precyzyjnego pomiaru czasu

Rozwój technologiczny, taki jak lasery i optyczne grzebienie częstotliwości w latach 90. XX wieku, doprowadził do zwiększenia dokładności zegarów atomowych. Lasery umożliwiają kontrolę zasięgu optycznego nad przejściami stanów atomowych, które mają znacznie wyższą częstotliwość niż mikrofale; podczas gdy optyczny grzebień częstotliwości mierzy bardzo dokładnie takie oscylacje wysokiej częstotliwości w świetle.

Zegary optyczne zostały po raz pierwszy opracowane w 2000 roku. Chociaż zegary optyczne nie są tak dojrzałe jak zegary cezowe, biorąc pod uwagę, że zegary cezowe odmierzają czas od zdefiniowania sekundy w 1960 r., szybko osiągają nowy poziom dokładności . Obecnie trwają dalsze prace nad zegarami optycznymi . ^, które są tak dokładne, jak najdokładniejsze dostępne zegary cezowe, czyli ze względną niepewnością 10-16

10-17 ^nastąpił w NIST w 2010 r. Wraz z demonstracją zegara optycznego „logiki kwantowej”, który wykorzystywał jony glinu do osiągnięcia precyzji . Zegary optyczne są bardzo aktywnym obszarem badań w dziedzinie metrologii, ponieważ naukowcy pracują nad opracowaniem zegarów opartych na pierwiastkach iterbu , rtęci , aluminium i strontu . Naukowcy z 10-19 ^JILA zademonstrowali zegar strontu o dokładności częstotliwości 10-18 w 2015 roku. Naukowcy ^z NIST opracowali kwantowy zegar logiczny, który mierzył pojedynczy jon glinu w 2019 roku z niepewnością częstotliwości . W JILA we wrześniu 7,6 × 10-21 ²⁰²¹ r. Naukowcy zademonstrowali optyczny zegar strontowy o precyzji różniczkowej częstotliwości . Oczekuje się, że druga zostanie ponownie zdefiniowana, gdy dziedzina zegarów optycznych dojrzeje, około roku 2026 lub 2030. Aby tak się stało, zegary optyczne muszą być w stanie konsekwentnie mierzyć czas z bardzo dużą precyzją. Ponadto należy zademonstrować metody wiarygodnego i dokładnego porównywania różnych zegarów optycznych na całym świecie w krajowych laboratoriach metrologicznych.

Zegary atomowe w skali chipa

Sercem miniaturowego zegara atomowego nowej generacji NIST – tykającego z wysokimi „optycznymi” częstotliwościami – jest ta komórka parowa na chipie, pokazana obok ziarna kawy dla uzyskania skali.

Oprócz zwiększonej dokładności, rozwój zegarów atomowych w skali chipa zwiększył liczbę miejsc, w których można używać zegarów atomowych. W sierpniu 2004 roku NIST zademonstrowali zegar atomowy w skali chipa , który był 100 razy mniejszy niż zwykły zegar atomowy i miał znacznie mniejszy pobór mocy 125 mW . Zegar atomowy był wielkości ziarnka ryżu i pracował z częstotliwością około 9 GHz. roku . Zegary atomowe w skali jednego chipa wymagają mniej niż 30 miliwatów mocy .

Narodowy Instytut Standardów i Technologii stworzył program NIST na chipie, aby opracować kompaktowe sposoby pomiaru czasu za pomocą urządzenia o średnicy zaledwie kilku milimetrów.

Metrologowie obecnie (2022) projektują zegary atomowe, które wdrażają nowe rozwiązania, takie jak pułapki jonowe i grzebienie optyczne, aby osiągnąć większą dokładność.

Jak działają zegary atomowe

Normy czasu

Zegar atomowy oparty jest na układzie atomów, które mogą znajdować się w jednym z dwóch możliwych stanów energetycznych. Przygotowuje się grupę atomów w jednym stanie, a następnie poddaje się działaniu mikrofalowego . Jeśli promieniowanie ma odpowiednią częstotliwość, pewna liczba atomów przejdzie w inny stan energetyczny . Im częstotliwość jest bliższa naturalnej częstotliwości oscylacji atomów, tym więcej atomów zmienia stany. Taka korelacja pozwala na bardzo dokładne dostrojenie częstotliwości promieniowania mikrofalowego. Po dostosowaniu promieniowania mikrofalowego do znanej częstotliwości, przy której maksymalna liczba atomów przełącza stany, atom, a tym samym związana z nim częstotliwość przejścia, może być wykorzystany jako oscylator do pomiaru czasu do pomiaru czasu, który upłynął.

Wiele krajowych laboratoriów metrologicznych utrzymuje zegary atomowe: w tym Obserwatorium Paryskie , Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) w Niemczech, National Institute of Standards and Technology (NIST) w Kolorado i Maryland , USA, JILA na University of Colorado Boulder , Narodowe Laboratorium Fizyczne (NPL) w Wielkiej Brytanii oraz Ogólnorosyjski Instytut Badań Naukowych Inżynierii Fizycznej i Metrologii Radiotechnicznej . Robią to, projektując i budując standardy częstotliwości, które wytwarzają oscylacje elektryczne o częstotliwości, której związek z częstotliwością przejścia cezu 133 jest znany, w celu osiągnięcia bardzo niskiej niepewności. Te podstawowe standardy częstotliwości oszacowują i korygują różne przesunięcia częstotliwości, w tym relatywistyczne przesunięcia Dopplera związane z ruchem atomów, promieniowaniem termicznym środowiska ( przesunięcie ciała doskonale czarnego ) i kilkoma innymi czynnikami. Najlepsze wzorce pierwotne dają obecnie sekundę w układzie SI z dokładnością bliską niepewności jednej części na 10 ¹⁶ .

Należy zauważyć, że na tym poziomie dokładności nie można zignorować różnic w polu grawitacyjnym w urządzeniu. Standard jest następnie rozpatrywany w ramach ogólnej teorii względności , aby zapewnić właściwy czas w określonym punkcie.

Międzynarodowe Biuro Miar i Wag (BIPM) udostępnia listę częstotliwości, które służą jako drugorzędne reprezentacje drugiego . Ta lista zawiera wartości częstotliwości i odpowiednie niepewności standardowe dla rubidu i innych przejść optycznych, w tym neutralnych atomów i pojedynczych uwięzionych jonów. Te wtórne wzorce częstotliwości mogą być tak dokładne, jak jedna część na 10 ¹⁸ ; jednak niepewności w wykazie stanowią jedną część w 10 ¹⁴ – 10 ¹⁶ . Dzieje się tak dlatego, że niepewność centralnego wzorca cezu, względem którego kalibrowane są wzorce wtórne , wynosi jedną część 10 ¹⁴ – 10 ¹⁶ .

Podstawowe wzorce częstotliwości można wykorzystać do kalibracji częstotliwości innych zegarów używanych w krajowych laboratoriach. Są to zazwyczaj komercyjne zegary cezowe o bardzo dobrej długoterminowej stabilności częstotliwości, utrzymujące częstotliwość ze stabilnością lepszą niż 1 część na 10 ¹⁴ przez kilka miesięcy. Niepewność podstawowych częstotliwości wzorcowych wynosi około jednej części na 10 ¹³ .

Masery wodorowe , które opierają się na nadsubtelnym przejściu 1,4 GHz w wodorze atomowym, są również używane w laboratoriach metrologii czasu. Masery przewyższają wszelkie komercyjne zegary cezowe pod względem krótkoterminowej stabilności częstotliwości. W przeszłości instrumenty te były używane we wszystkich zastosowaniach wymagających stałego odniesienia w okresach krótszych niż jeden dzień (stabilność częstotliwości około 1 części na dziesięć [potrzebne wyjaśnienie] wynoszących kilka godzin). Ponieważ niektóre aktywne masery wodorowe mają skromny, ale przewidywalny dryf częstotliwości w czasie, stały się ważną częścią zespołu komercyjnych zegarów BIPM, które wdrażają międzynarodowy czas atomowy.

Synchronizacja z satelitami

Wskazania czasu zegarów pracujących w laboratoriach metrologicznych współpracujących z BIPM muszą być znane bardzo dokładnie. Niektóre operacje wymagają synchronizacji zegarów atomowych oddalonych od siebie o tysiące kilometrów. Globalne systemy nawigacji satelitarnej (GNSS) zapewniają zadowalające rozwiązanie problemu przesunięcia czasu. Zegary atomowe są używane do nadawania sygnałów czasu w globalnym systemie pozycjonowania (GPS) Stanów Zjednoczonych , globalnym systemie nawigacji satelitarnej (GLONASS) Federacji Rosyjskiej , systemie Galileo Unii Europejskiej i chińskim systemie BeiDou .

Sygnał odebrany z jednego satelity w laboratorium metrologicznym wyposażonym w odbiornik o dokładnie znanej pozycji pozwala na wyznaczenie różnicy czasu między lokalną skalą czasu a czasem systemu GNSS z niepewnością rzędu kilku nanosekund przy uśrednianiu z 15 minut . Odbiorniki umożliwiają jednoczesny odbiór sygnałów z kilku satelitów oraz wykorzystują sygnały nadawane na dwóch częstotliwościach. Ponieważ coraz więcej satelitów jest wystrzeliwanych i zaczyna działać, pomiary czasu staną się dokładniejsze.

Te metody porównywania czasu muszą uwzględniać efekty szczególnej i ogólnej teorii względności o kilka nanosekund.

Punkty danych reprezentujące zegary atomowe na całym świecie, które definiują międzynarodowy czas atomowy (TAI)

Międzynarodowy pomiar czasu

Krajowe laboratoria zwykle obsługują szereg zegarów. Działają one niezależnie od siebie, a ich pomiary są czasami łączone w celu wygenerowania skali, która jest bardziej stabilna i dokładniejsza niż skala każdego indywidualnego zegara. Ta skala pozwala na porównania czasu między różnymi zegarami w laboratorium. Te atomowe skale czasu są ogólnie określane jako TA(k) dla laboratorium k.

Uniwersalny czas koordynowany (UTC) jest wynikiem porównania zegarów w krajowych laboratoriach na całym świecie z międzynarodowym czasem atomowym (TAI), a następnie w razie potrzeby dodania sekund przestępnych. TAI to średnia ważona około 450 zegarów w około 80 instytucjach czasu. Względna stabilność TAI wynosi około jednej części na 10 ¹⁶ .

Przed opublikowaniem TAI częstotliwość wyniku jest porównywana z sekundą w układzie SI przy różnych podstawowych i drugorzędnych wzorcach częstotliwości. Wymaga to zastosowania poprawek relatywistycznych do położenia pierwotnego wzorca, które zależą od odległości między równym potencjałem grawitacyjnym a obracającą się geoidą Ziemi. Korekty te wynoszą około 1 części na każde 10 ¹⁶ metrów wysokości. Wartości obracającej się geoidy i TAI zmieniają się nieznacznie co miesiąc i są dostępne w publikacji BIPM Circular T. Skala czasu TAI jest odroczona o kilka tygodni, ponieważ obliczana jest średnia zegarów atomowych na całym świecie.

TAI nie jest rozprowadzany w codziennym pomiarze czasu. Zamiast tego dodaje się lub odejmuje liczbę całkowitą sekund przestępnych, aby skorygować obrót Ziemi, tworząc czas UTC. Zmieniono liczbę sekund przestępnych, aby średnie południe słoneczne na południku Greenwich nie różniło się od południa UTC o więcej niż 0,9 sekundy.

Krajowe instytucje metrologiczne utrzymują przybliżony czas UTC określany jako UTC(k) dla laboratorium k. UTC(k) jest dystrybuowany przez Komitet Konsultacyjny ds. Czasu i Częstotliwości BIPM. Przesunięcie UTC-UTC(k) jest obliczane co 5 dni, wyniki są publikowane co miesiąc. Zegary atomowe rejestrują czas UTC (k) z dokładnością do nie więcej niż 100 nanosekund. W niektórych krajach czas UTC(k) to prawny czas rozpowszechniany przez radio, telewizję, telefon, Internet, kable światłowodowe , nadajniki sygnału czasu i mówiące zegary. Ponadto GNSS dostarcza informacji o czasie z dokładnością do kilkudziesięciu nanosekund lub lepszą.

typy

Cez

Główny artykuł: standard cezu

Sekundę w układzie SI definiuje się jako pewną liczbę niezakłóconych nadsubtelnych przejść stanu podstawowego atomu cezu-133. Standardy cezu są zatem uważane za podstawowe standardy czasu i częstotliwości.

cezowe obejmują zegar NIST-F1 , opracowany w 1999 r., Oraz zegar NIST-F2 , opracowany w 2013 r.

Cez ma kilka właściwości, które czynią go dobrym wyborem dla zegara atomowego. Podczas gdy wodoru porusza się z prędkością 1600 m/s w temperaturze pokojowej, a atom azotu z prędkością 510 m/s, atom cezu porusza się z dużo mniejszą prędkością 130 m/s ze względu na swoją większą masę. Częstotliwość nadsubtelna cezu (~ 9,19 GHz) jest również wyższa niż innych pierwiastków, takich jak rubid (~ 6,8 GHz) i wodór (~ 1,4 GHz). Wysoka częstotliwość cezu pozwala na dokładniejsze pomiary. Cezowe rurki wzorcowe spełniające standardy krajowe wytrzymują obecnie około siedmiu lat i kosztują około 35 000 USD. Podstawowe standardy częstotliwości i czasu, takie jak zegary atomowe w standardzie czasu Stanów Zjednoczonych, NIST-F1 i NIST-F2, wykorzystują znacznie większą moc.

Schemat blokowy

Uproszczony schemat blokowy typowej komercyjnej częstotliwości odniesienia wiązki cezu

W odniesieniu do częstotliwości wiązki cezu sygnały taktowania pochodzą z oscylatora kwarcowego sterowanego napięciem (VCXO) o wysokiej stabilności, który można przestrajać w wąskim zakresie. Częstotliwość wyjściowa VCXO (zwykle 5 MHz) jest mnożona przez syntezator częstotliwości w celu uzyskania mikrofal o częstotliwości nadsubtelnego przejścia atomu cezu (około 9 192,6317 MHz ). Sygnał wyjściowy syntezatora częstotliwości jest wzmacniany i doprowadzany do komory zawierającej gaz cezowy, który pochłania mikrofale. Prąd wyjściowy komory cezowej wzrasta wraz ze wzrostem absorpcji.

Pozostała część obwodów po prostu dostosowuje częstotliwość pracy VCXO, aby zmaksymalizować prąd wyjściowy komory cezowej, która utrzymuje oscylator dostrojony do częstotliwości rezonansowej przejścia nadsubtelnego.

Rubid

Główny artykuł: standard rubidu

Zespół lotników Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych niosący rubidowy zegar

BIPM definiuje niezaburzoną nadsubtelną częstotliwość przejścia w stan podstawowy atomu rubidu-87, 6 834 682 610,904 312 6 Hz, w odniesieniu do standardowej częstotliwości cezu. Zegary atomowe oparte na standardach rubidowych są zatem uważane za drugorzędne reprezentacje sekundy.

Standardowe zegary rubidowe są cenione ze względu na niski koszt, małe rozmiary (standardy komercyjne to zaledwie 1,7 × 10 ⁵ mm ³ ) i krótkotrwałą stabilność. Są używane w wielu zastosowaniach komercyjnych, przenośnych i lotniczych. Nowoczesne standardowe rurki rubidowe wytrzymują ponad dziesięć lat i mogą kosztować zaledwie 50 USD. Niektóre aplikacje komercyjne używają standardu rubidu okresowo korygowanego przez globalnego systemu pozycjonowania (patrz oscylator zdyscyplinowany GPS ). Osiąga to doskonałą dokładność krótkoterminową, z dokładnością długoterminową równą (i identyfikowalną) krajowym standardom czasu w USA.

Wodór

Główny artykuł: maser wodorowy

Maser wodorowy

BIPM definiuje niezakłóconą optyczną częstotliwość przejścia obojętnego atomu wodoru-1, 1 233 030 706 593 514 Hz, w odniesieniu do standardowej częstotliwości cezu. Zegary atomowe oparte na wzorcach wodoru są zatem uważane za drugorzędne reprezentacje sekundy.

Masery wodorowe mają lepszą stabilność krótkoterminową w porównaniu z innymi standardami, ale niższą dokładność długoterminową. Długoterminowa stabilność standardów maserów wodorowych zmniejsza się z powodu zmian właściwości wnęki w czasie. Względny błąd maserów wodorowych wynosi 5 × 10-16 ^dla okresów 1000 sekund. To sprawia, że ​​masery wodorowe są dobre dla radioastronomii , w szczególności dla bardzo długiej interferometrii bazowej . Masery wodorowe są używane w oscylatorach z kołem zamachowym w chłodzonych laserowo atomowych wzorcach częstotliwości i transmitują sygnały czasu z krajowych laboratoriów normalizacyjnych, chociaż należy je korygować, ponieważ z czasem oddalają się od prawidłowej częstotliwości. Maser wodorowy jest również przydatny do eksperymentalnych testów efektów szczególnej i ogólnej teorii względności , takich jak grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni .

Mechanizm pomiaru czasu

Definicja międzynarodowego układu jednostek

Główny artykuł: Drugi

Od 1968 r. SI definiuje sekundę jako czas trwania 9 192 631 770 cykli promieniowania odpowiadających przejściu między dwoma poziomami energetycznymi stanu podstawowego atomu cezu-133. W 1997 roku Międzynarodowy Komitet Miar i Wag (CIPM) dodał, że powyższa definicja odnosi się do atomu cezu pozostającego w spoczynku w temperaturze zera bezwzględnego .

Ta definicja sprawia, że ​​oscylator cezowy jest podstawowym standardem pomiarów czasu i częstotliwości, zwanym standardem cezowym. Po ponownej definicji jednostek podstawowych SI w 2019 r . definicja każdej jednostki podstawowej z wyjątkiem mola i prawie każdej jednostki pochodnej opiera się na definicji sekundy.

Strojenie i optymalizacja

Rdzeniem tradycyjnego zegara atomowego o częstotliwości radiowej jest przestrajalna wnęka mikrofalowa zawierająca gaz. W z maserem wodorowym gaz emituje mikrofale ( masy gazowe ) w przejściu nadsubtelnym, pole we wnęce oscyluje, a wnęka jest dostrojona do maksymalnej amplitudy mikrofal. Alternatywnie, w zegarze cezowym lub rubidowym wiązka lub gaz pochłaniają mikrofale, a wnęka zawiera wzmacniacz elektroniczny, który wprawia go w oscylacje. W przypadku obu typów atomy w gazie są przygotowywane w jednym stanie nadsubtelnym przed wypełnieniem ich wnęki. W przypadku drugiego typu wykrywana jest liczba atomów, które zmieniają stan nadsubtelny, a wnęka jest dostrajana do maksimum wykrytych zmian stanu.

Większość złożoności zegara leży w tym procesie regulacji. Regulacja ma na celu skorygowanie niepożądanych efektów ubocznych, takich jak częstotliwości z innych przejść elektronowych, zmiany temperatury i rozproszenie częstotliwości spowodowane przez wibracje cząsteczek, w tym poszerzenie Dopplera . Jednym ze sposobów na to jest przemiatanie częstotliwości oscylatora mikrofalowego w wąskim zakresie w celu wygenerowania zmodulowanego sygnału w detektorze. Sygnał detektora można następnie zdemodulować , aby zastosować sprzężenie zwrotne w celu kontrolowania długoterminowego dryfu częstotliwości radiowej. W ten sposób kwantowo-mechaniczne właściwości atomowej częstotliwości przejścia cezu można wykorzystać do dostrojenia oscylatora mikrofalowego do tej samej częstotliwości, z wyjątkiem niewielkiej ilości błędu eksperymentalnego . Kiedy zegar jest włączany po raz pierwszy, stabilizacja oscylatora zajmuje trochę czasu. W praktyce mechanizm sprzężenia zwrotnego i monitorowania jest znacznie bardziej złożony.

Wiele nowszych zegarów, w tym zegary mikrofalowe, takie jak zegary z uwięzionymi jonami lub fontannami, oraz zegary optyczne, takie jak zegary kratowe, wykorzystuje protokół sekwencyjnego zapytania zamiast opisanego powyżej zapytania z modulacją częstotliwości. Zaletą przesłuchania sekwencyjnego jest to, że może pomieścić znacznie wyższe Q, z czasem dzwonienia w sekundach, a nie w milisekundach. Zegary te mają również zwykle czas martwy , podczas którego zbiory atomów lub jonów są analizowane, odnawiane i doprowadzane do właściwego stanu kwantowego, po czym są badane sygnałem z lokalnego oscylatora (LO) przez czas być może sekundy lub tak. Analiza końcowego stanu atomów jest następnie wykorzystywana do generowania sygnału korekcyjnego w celu utrzymania częstotliwości LO na poziomie atomów lub jonów .

Mechanizm zegara

Wszystkie urządzenia do pomiaru czasu wykorzystują zjawiska oscylacyjne do dokładnego pomiaru czasu, niezależnie od tego, czy chodzi o obrót Ziemi w przypadku zegara słonecznego , wahanie wahadła w zegarze szafkowym , wibracje sprężyn i kół zębatych w zegarku , czy zmiany napięcia w krysztale kwarcu oglądać . Jednak na wszystkie z nich łatwo wpływają temperatury i nie są zbyt dokładne. Najdokładniejsze zegary wykorzystują drgania atomowe do odmierzania czasu. Stany przejściowe zegara w atomach są niewrażliwe na temperaturę i inne czynniki środowiskowe, a częstotliwość oscylacji jest znacznie wyższa niż w jakimkolwiek innym zegarze (w reżimie częstotliwości mikrofalowych i wyższych). na działanie zegara jest współczynnik jakości linii atomowej Q, który jest definiowany jako stosunek częstotliwości bezwzględnej $.$ do szerokości linii samego rezonansu ${\ Displaystyle \ Delta \ nu}$ . Rezonans atomowy ma znacznie wyższe Q niż urządzenia mechaniczne. Zegary atomowe można również w znacznie większym stopniu odizolować od wpływu środowiska. Zegary atomowe mają tę zaletę, że atomy są uniwersalne, co oznacza, że ​​częstotliwość oscylacji jest również uniwersalna. Różni się to od kwarcowych i mechanicznych urządzeń do pomiaru czasu, które nie mają uniwersalnej częstotliwości.

Jakość zegara można określić dwoma parametrami: dokładnością i stabilnością. Dokładność jest miarą stopnia, w jakim można liczyć na to, że tempo tykania zegara będzie zgodne z pewnym absolutnym standardem, takim jak wrodzona częstotliwość nadsubtelna izolowanego atomu lub jonu. Stabilność opisuje działanie zegara uśrednione w czasie w celu zmniejszenia wpływu szumów i innych krótkoterminowych fluktuacji (patrz precyzja ).

Niestabilność zegara atomowego jest określona przez jego odchylenie Allana . ${\ Displaystyle \ sigma _ {y} (\ tau)}$ . Ograniczająca niestabilność spowodowana statystyką zliczania atomów lub jonów jest określona przez ${\ Displaystyle \ textstyle \ sigma _ {y, atomy} (\ tau) \ ok {\frac {\Delta v}{\nu _{0}{\sqrt {N}}}}{\sqrt {\frac {T_{\text{c}}}{\tau }}}}$ gdzie $\ Displaystyle \ Delta \ nu}$$T _ {\ tekst {c}} }$ to spektroskopowa szerokość linii systemu zegarowego, to liczba atomów lub jonów użytych w jednym pomiarze, $Displaystyle$ to czas wymagany dla jednego cyklu, a $. Oznacza$ okres uśredniania $, że$ niestabilność jest mniejsza, gdy szerokość linii $i$ gdy ( stosunek sygnału do szumu ) jest większy. Stabilność poprawia się wraz ze wzrostem czasu, $w$ którym pomiary są uśredniane, z sekund do godzin do dni Na stabilność największy wpływ ma częstotliwość oscylatora ${\ Displaystyle \ Delta \ nu}$ . Dlatego zegary optyczne, takie jak zegary strontowe (429 teraherców), są znacznie bardziej stabilne niż zegary cezowe (9,19 GHz).

Stwierdzono, że nowoczesne zegary, takie jak fontanny atomowe lub siatki optyczne, które wykorzystują sekwencyjne zapytania, generują rodzaj szumu, który naśladuje i zwiększa niestabilność nieodłącznie związaną z liczeniem atomów lub jonów. Efekt ten nazywany jest efektem Dicka i jest zazwyczaj głównym ograniczeniem stabilności nowszych zegarów atomowych. Jest to efekt aliasingu; składowe szumu o wysokiej częstotliwości w LO są heterodynowane do częstotliwości bliskiej zeru przez harmoniczne powtarzających się zmian czułości sprzężenia zwrotnego do częstotliwości LO. Efekt nakłada nowe i surowe wymagania na LO, które muszą teraz charakteryzować się niskim poziomem szumów fazowych oprócz wysokiej stabilności, zwiększając w ten sposób koszt i złożoność systemu. W przypadku LO z szumem częstotliwości migotania , gdzie czas zapytania jest niezależny od ${\ Displaystyle \ sigma _ {y} ^ {LO} (\ tau$$}$ jest ${\ Displaystyle T_ {i}}$$0,4<d<0,7}$ współczynnik wypełnienia ma typowe wartości $\ Displaystyle d = T_ {i}/T_ {$${$ , odchylenie Allana można przybliżyć jako ${\ Displaystyle \ textstyle \ sigma _ {y, Dick} (\ tau) \ około {\ sigma _ {y} ^ {LO} \ ponad {\ sqrt {2 \ ln (2)}}} \ cdot \left|{sin(\pi d) \over {\pi d}}\right|\cdot {\sqrt {T_{c} \over {\tau}}}}$ . To wyrażenie pokazuje tę samą zależność od ${\ Displaystyle T_ {c} / {\ tau}}$ jak ${\ Displaystyle \ sigma _ {y, atomy} (\ tau )}$ , a dla wielu nowszych zegarów jest znacznie większy. Analiza efektu i jego konsekwencji w zastosowaniu do standardów optycznych została omówiona w dużym przeglądzie (Ludlow i in., 2015), w którym ubolewano nad „zgubnym wpływem efektu Dicka” oraz w kilku innych artykułach.

Dokładność

Historyczna dokładność zegarów atomowych z NIST

Dokładność zegarów atomowych stale się poprawiała od czasu pierwszego prototypu w latach pięćdziesiątych XX wieku. Pierwsza generacja zegarów atomowych opierała się na pomiarze atomów cezu, rubidu i wodoru. W okresie od 1959 do 1998 roku NIST opracował serię siedmiu zegarów mikrofalowych cezu-133 nazwanych od NBS-1 do NBS-6 i NIST-7 po zmianie nazwy agencji z National Bureau of Standards na National Institute of Standards i technologia. Pierwszy zegar 10-15 ^miał dokładność 10-11 ^{dokładność} , a ostatni zegar miał . Zegary jako pierwsze wykorzystywały fontannę cezową , którą wprowadził Jerrod Zacharias , oraz laserowe chłodzenie atomów, co zostało zademonstrowane przez Dave'a Winelanda i jego współpracowników w 1978 roku.

Następnym krokiem w rozwoju zegara atomowego jest przejście od dokładności 10-19 ^10-15 a ^do dokładności 10-18 ^. , nawet Celem jest ponowne zdefiniowanie sekundy, kiedy zegary staną się tak dokładne, że nie stracą ani nie zyskają więcej niż sekundę w epoce wszechświata . W tym celu naukowcy muszą wykazać dokładność zegarów wykorzystujących strontu i iterbu oraz sieci optycznej . Takie zegary nazywane są również zegarami optycznymi, w których stosowane są przejścia poziomów energetycznych w reżimie optycznym (powodującym jeszcze wyższą częstotliwość oscylacji), które dzięki temu mają znacznie większą dokładność w porównaniu z tradycyjnymi zegarami atomowymi.

Cel zegara atomowego z dokładnością 10-16 został po raz pierwszy osiągnięty w ^{Zjednoczonych} cezowym zegarze fontannowym NPL-CsF2 National Physical Laboratory w Wielkiej Brytanii i NIST-F2 w Stanach . Wzrost precyzji z NIST-F1 na NIST-F2 wynika z postępów w technologii chłodzenia atomów ciekłym azotem .

Oceniane jest działanie podstawowych i drugorzędnych wzorców częstotliwości, które mają wpływ na międzynarodowy czas atomowy (TAI). Raporty z oceny poszczególnych (głównie podstawowych) zegarów są publikowane online przez Międzynarodowe Biuro Miar i Wag (BIPM).

Badania

Eksperymentalny zegar optyczny na bazie strontu

Większość badań koncentruje się na często sprzecznych celach, jakim jest uczynienie zegarów mniejszymi, tańszymi, bardziej przenośnymi, bardziej energooszczędnymi, dokładniejszymi, stabilniejszymi i bardziej niezawodnymi. Eksperyment z zegarem z zimnym atomem w kosmosie (CACES) testujący zegar z zimnym atomem na orbicie okołoziemskiej w warunkach mikrograwitacji oraz zespół zegara atomowego w kosmosie to przykłady badań nad zegarem.

Wtórne reprezentacje drugiego

Lista częstotliwości zalecanych dla drugorzędnych reprezentacji sekundy jest prowadzona przez Międzynarodowe Biuro Miar (BIPM) od 2006 roku i jest dostępna online . Lista zawiera wartości częstotliwości i odpowiednie niepewności standardowe dla przemiany mikrofalowej rubidu i dla kilku przemian optycznych. Te wtórne wzorce częstotliwości są dokładne na poziomie ^10-18 ; jednak niepewności podane na liście mieszczą się w zakresie 10–14–10–15, ^{ponieważ są} ograniczone przez powiązanie z podstawowym standardem cezu, który obecnie (2018) definiuje drugi.

Typ	Częstotliwość robocza ( Hz )	Względne odchylenie Allana (typowe zegary)	Odniesienie
133 Cs	9.192 631 770 × 10 9 z definicji	10-13 _
87 Rb	6.834 682 610 904 324 × 10 9	10-12 _
1 H	1.420 405 751 7667 × 10 9	10-15 _
Zegar optyczny ( 87 Sr )	4.292 280 042 298 734 × 10 14	10-17 _
Zegar optyczny ( 27 Al + )	1.121 015 393 207 859 16 × 10 15	10-18 _
Zegar optyczny ( 171 Yb + , 642 THz)	6.421 214 967 726 4512 × 10 14	10-18 _
Zegar optyczny ( 171 Yb + , 688 THz)	6.883 589 793 093 0824 × 10 14	10-16 _

Eksperymentalne zegary atomowe XXI wieku, które zapewniają drugorzędne reprezentacje sekundy bez cezu, stają się tak precyzyjne, że prawdopodobnie będą używane jako niezwykle czułe detektory do innych rzeczy niż pomiar częstotliwości i czasu. Na przykład częstotliwość zegarów atomowych jest nieznacznie zmieniana przez grawitację, pola magnetyczne, pola elektryczne, siłę, ruch, temperaturę i inne zjawiska. Eksperymentalne zegary mają tendencję do ciągłego ulepszania, a przywództwo w wydajności przesuwało się tam iz powrotem między różnymi typami zegarów eksperymentalnych.

Zegary kwantowe

Dalsze informacje: Zegar kwantowy

W marcu 2008 roku fizycy z NIST opisali kwantowy zegar logiczny oparty na pojedynczych jonach berylu i glinu . Ten zegar porównano z rtęciowym NIST . Były to najdokładniejsze zegary, jakie zostały skonstruowane, a zegar nie zyskiwał ani nie tracił czasu w tempie przekraczającym sekundę w ciągu ponad miliarda lat. W lutym 2010 fizycy NIST opisali drugą, udoskonaloną wersję kwantowego zegara logicznego, opartego na pojedynczych jonach magnezu i glinu. Uważany za najdokładniejszy zegar na świecie w 2010 roku z niedokładnością częstotliwości ułamkowej 8,6 × 10-18 , oferuje ponad dwukrotnie ^większą precyzję niż oryginał. W lipcu 2019 r. naukowcy NIST zademonstrowali taki kwantowy zegar logiczny Al jest pierwszą demonstracją ^{+ z całkowitą niepewnością 9,4 × 10-19 ,} co takiego zegara z niepewnością poniżej ^10-18 .

Dokładność eksperymentalnych zegarów kwantowych została od tego czasu zastąpiona eksperymentalnymi zegarami sieci optycznej opartymi na stroncie-87 i iterbie-171 .

Koncepcja zegara jądrowego (optycznego).

Główny artykuł: Zegar jądrowy

Jedną z teoretycznych możliwości poprawy wydajności zegarów atomowych jest wykorzystanie przejścia energii jądrowej (między różnymi izomerami jądrowymi ) zamiast przejść atomowych elektronów , które mierzą obecne zegary atomowe. Większość przemian jądrowych działa na zbyt wysokich częstotliwościach, aby można je było zmierzyć, ale w 2003 roku Ekkehard Peik i Christian Tamm zauważyli, że wyjątkowo niska energia wzbudzenia wynosząca ^{229 m}
Th
jest w zasięgu obecnych technik pomiaru częstotliwości, dzięki czemu możliwe jest zbudowanie zegara. W 2012 roku wykazano, że jądrowy oparty na pojedynczym jonie ²²⁹
Th ³⁺
może zapewnić całkowitą niedokładność częstotliwości ułamkowej 1,5 × 10-19 ^. , co jest lepsze niż istniejąca technologia zegara atomowego z 2019 roku Chociaż pozostaje to niezrealizowaną teoretyczną możliwością, od 2019 roku poczyniono znaczne postępy w kierunku opracowania eksperymentalnego zegara jądrowego.

Transformacja energetyki jądrowej oferuje następujące potencjalne korzyści:

1. Wyższa częstotliwość. Przy wszystkich pozostałych parametrach przejście o wyższej częstotliwości zapewnia większą stabilność z prostych powodów statystycznych (fluktuacje są uśredniane w większej liczbie cykli).
2. Niewrażliwość na wpływ środowiska. Ze względu na swój mały rozmiar i ekranowanie otaczających elektronów jądro atomowe jest znacznie mniej wrażliwe na otaczające pola elektromagnetyczne niż elektron na orbicie.
3. Większa liczba atomów. Ze względu na wspomnianą niewrażliwość na pola otoczenia nie jest konieczne, aby atomy zegara były dobrze rozdzielone w rozcieńczonym gazie. W rzeczywistości można by wykorzystać efekt Mössbauera i umieścić atomy w ciele stałym, co pozwoliłoby na zbadanie miliardów atomów.

Techniki porównywania zegarów

W czerwcu 2015 r. Narodowe Laboratorium Fizyczne (NPL) w Teddington w Wielkiej Brytanii; francuski wydział czasoprzestrzennych systemów odniesienia w Obserwatorium Paryskim (LNE-SYRTE); Niemiecki Niemiecki Narodowy Instytut Metrologii (PTB) w Brunszwiku ; i włoski Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) w laboratoriach w Turynie rozpoczęły testy mające na celu 10-krotne zwiększenie dokładności najnowocześniejszych porównań satelitarnych, ale nadal będą one ograniczone do jednej części na 1 . Te cztery europejskie laboratoria opracowują i udostępniają różne eksperymentalne zegary optyczne, które wykorzystują różne elementy w różnych konfiguracjach eksperymentalnych i chcą porównać swoje zegary optyczne ze sobą i sprawdzić, czy są zgodne. W następnej fazie laboratoria te dążą do przesyłania sygnałów porównawczych w widmie widzialnym za pomocą kabli światłowodowych. Umożliwi to porównanie ich eksperymentalnych zegarów optycznych z dokładnością zbliżoną do oczekiwanej dokładności samych zegarów optycznych. Niektóre z tych laboratoriów ustanowiły już łącza światłowodowe i rozpoczęły się testy na odcinkach między Paryżem a Teddington oraz Paryżem i Brunszwikiem. Łącza światłowodowe między eksperymentalnymi zegarami optycznymi istnieją również między amerykańskim NIST i jego laboratorium partnerskim JILA , oba w Boulder w stanie Kolorado, ale obejmują one znacznie krótsze odległości niż sieć europejska i obejmują tylko dwa laboratoria. Według Fritza Riehle, fizyka z PTB, „Europa jest w wyjątkowej sytuacji, ponieważ ma duże zagęszczenie najlepszych zegarów na świecie”. nowo utworzonej spójnej ^w pełni niezależnych eksperymentalnych zegarów optycznych z siecią strontową w Paryżu i Brunszwiku przy niepewności 5 × 10-17 za pośrednictwem fazowo łącze częstotliwości łączące Paryż i Brunszwik, wykorzystujące 1415 km (879 mil ) telekomunikacyjnego kabla światłowodowego. Ułamkowa niepewność całego łącza została oszacowana na 2,5 × 10-19 , ^co umożliwia porównania jeszcze dokładniejszych zegarów. W 2021 roku NIST porównał transmisję sygnałów z serii eksperymentalnych zegarów atomowych znajdujących się w odległości około 1,5 km (1 mil ) od siebie w laboratorium NIST, jego partnerskim laboratorium JILA i University of Colorado, wszystko w Boulder w Kolorado, przez powietrze i kabel światłowodowy z dokładnością do 8 × 10 ⁻¹⁸ .

Zegary optyczne

Maj 2009– Strontowy optyczny zegar atomowy firmy JILA oparty jest na neutralnych atomach. Skierowanie niebieskiego lasera na ultrazimne atomy strontu w pułapce optycznej sprawdza, jak skutecznie poprzedni rozbłysk światła z czerwonego lasera pobudził atomy do stanu wzbudzonego. Tylko te atomy, które pozostają w niższym stanie energetycznym reagują na niebieski laser, powodując widoczną tutaj fluorescencję.

Pomysł uwięzienia atomów w siatce optycznej za pomocą laserów został zaproponowany przez rosyjskiego fizyka Władylena Letochowa w latach 60. XX wieku. Teoretyczne przejście od mikrofal jako atomowego „wychwytu” zegarów do światła w zakresie optycznym (trudniejszego do zmierzenia, ale oferującego lepszą wydajność) przyniosło Johnowi L. Hallowi i Theodorowi W. Hänschowi Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2005 r. Jedna z Fizyki z 2012 r. Noblista, David J. Wineland , jest pionierem w wykorzystaniu właściwości pojedynczego jonu uwięzionego w pułapce do opracowania zegarów o najwyższej stabilności. Rozwój pierwszego zegara optycznego rozpoczęto w NIST w 2000 roku i zakończono w 2006 roku.

Rozwój femtosekundowych grzebieni częstotliwości , sieci optycznych doprowadził do powstania nowej generacji zegarów atomowych. Zegary te oparte są na przejściach atomowych, które zamiast mikrofal emitują światło widzialne . Główną przeszkodą w opracowaniu zegara optycznego jest trudność w bezpośrednim pomiarze częstotliwości optycznych. Problem ten został rozwiązany dzięki opracowaniu samoreferencyjnych laserów z synchronizacją modów, powszechnie określanych jako femtosekundowe grzebienie częstotliwości. Przed demonstracją grzebienia częstotliwości w 2000 r. terahercowe , aby wypełnić lukę między częstotliwościami radiowymi i optycznymi, a systemy do tego celu były nieporęczne i skomplikowane. Dzięki udoskonaleniu grzebienia częstotliwości pomiary te stały się znacznie bardziej dostępne, a na całym świecie opracowywane są obecnie liczne systemy zegarów optycznych.

Podobnie jak w zakresie radiowym, spektroskopia absorpcyjna służy do stabilizacji oscylatora — w tym przypadku lasera. Kiedy częstotliwość optyczna jest dzielona na policzalną częstotliwość radiową za pomocą grzebienia femtosekundowego , szerokość pasma szumu fazowego jest również dzielona przez ten współczynnik. Chociaż szerokość pasma szumu fazowego lasera jest generalnie większa niż stabilnych źródeł mikrofalowych, po podzieleniu jest mniejsza.

Podstawowe systemy rozważane do wykorzystania w optycznych standardach częstotliwości to:

• pojedyncze jony wyizolowane w pułapce jonowej;

• obojętne atomy uwięzione w sieci optycznej i
• atomy upakowane w trójwymiarowej sieci optycznej gazu kwantowego.

Techniki te umożliwiają wysoce odizolowanie atomów lub jonów od zewnętrznych zakłóceń, tworząc w ten sposób niezwykle stabilną częstotliwość odniesienia. Lasery i pułapki magnetooptyczne służą do chłodzenia atomów w celu zwiększenia precyzji.

Rozważane układy atomowe obejmują Al ⁺ , Hg ^+/2+ , Hg , Sr , Sr ^+/2+ , In ^+/3+ , Mg , Ca , Ca ⁺ , Yb ^+/2+/3+ , Yb i Th ^{+ /3+} . Kolor promieniowania elektromagnetycznego zegara zależy od symulowanego elementu. Na przykład zegary optyczne wapniowe rezonują, gdy wytwarzane jest światło czerwone, a zegary iterbowe rezonują w obecności światła fioletowego.

Jeden z pary zegarów atomowych z iterbową siatką optyczną NIST z 2013 roku

Pierwiastek ziem rzadkich, iterb (Yb), jest ceniony nie tyle ze względu na swoje właściwości mechaniczne, ile ze względu na uzupełnienie poziomów energii wewnętrznej. „Szczególne przejście w atomach Yb, przy długości fali 578 nm, zapewnia obecnie jeden z najdokładniejszych optycznych wzorców częstotliwości atomowych na świecie” – powiedziała Marianna Safronova. University of Delaware w grudniu 2012 r. oszacowana niepewność odpowiada około jednej sekundzie dotychczasowego życia wszechświata, czyli 15 miliardów lat.

W 2013 roku wykazano, że zegary sieci optycznej (OLC) są równie dobre lub lepsze niż zegary z fontanną cezową. Dwa zegary sieci optycznej zawierające około 10 000 atomów strontu -87 były w stanie pozostawać ze sobą w synchronizacji z precyzją co najmniej 1,5 × 10-16 , co ^jest tak dokładne, jak można było zmierzyć w eksperymencie. Wykazano, że zegary te dotrzymują kroku wszystkim trzem zegarom fontann cezowych w Obserwatorium Paryskim . Istnieją dwa powody, dla których może być lepsza precyzja. Po pierwsze, częstotliwość mierzy się za pomocą światła, które ma znacznie wyższą częstotliwość niż mikrofale, a po drugie, przy użyciu wielu atomów, wszelkie błędy są uśredniane. Używając iterbu-171 , 22 sierpnia 2013 r. Opublikowano nowy rekord stabilności z dokładnością 1,6 × 10-18 ^{przez Zespół badawczy} w okresie 7 godzin. Przy tej stabilności dwa zegary sieci optycznej pracujące niezależnie od siebie używane NIST różniłby się wiekiem wszechświata o mniej niż sekundę ( 13,8 × 10 ⁹ lat ); było to 10 razy lepsze niż w poprzednich eksperymentach. Zegary opierają się na atomach iterbu schłodzonych do 10 mikrokelwinów i uwięzionych w siatce optycznej. Laser o długości fali 578 nm wzbudza atomy między dwoma ich poziomami energetycznymi. Po ustaleniu stabilności zegarów naukowcy badają wpływy zewnętrzne i oceniają pozostałe niepewności systemowe w nadziei, że uda im się obniżyć dokładność zegara do poziomu jego stabilności. Ulepszony zegar sieci optycznej został opisany w artykule Nature z 2014 roku. W 2015 roku grawitacyjnemu dylatacji czasu ^{JILA ocenił bezwzględną niepewność częstotliwości zegara sieci optycznej strontu-87 na 2,1 × 10-18} , co odpowiada mierzalnemu dla zmiany wysokości o 2 cm (0,79 cala) na planecie Ziemia, która według JILA / Stypendysta NIST, Jun Ye , „jest naprawdę bliski przydatności w geodezji relatywistycznej ”. Oczekuje się, że przy tej niepewności częstotliwości ten zegar sieci optycznej JILA nie zyska ani nie straci ani sekundy przez ponad 15 miliardów lat.

Trójwymiarowy (3-D) gazowy zegar atomowy JILA 2017 składa się z siatki światła utworzonej przez trzy pary wiązek laserowych. Stos dwóch stołów służy do konfigurowania elementów optycznych wokół komory próżniowej. Tutaj pokazany jest górny stolik, na którym zamontowane są obiektywy i pozostała optyka. Niebieska wiązka laserowa wzbudza chmurę atomów strontu w kształcie sześcianu, znajdującą się za okrągłym okienkiem na środku stołu. Atomy strontu silnie fluoryzują po wzbudzeniu światłem niebieskim.

W 2017 roku JILA zgłosiła eksperymentalny 3D kwantowy gazowy zegar z siecią optyczną strontu, w którym atomy strontu-87 są upakowane w maleńkim trójwymiarowym (3-D) sześcianie o gęstości 1000 razy większej niż poprzednie jednowymiarowe (1-D) zegary, takie jak zegar JILA 2015. Synchroniczne porównanie zegarów między 5 × 10-19 ^dwoma regionami sieci 3D dało rekordowy poziom synchronizacji w ciągu 1 godziny czasu uśredniania. Sercem trójwymiarowego zegara sieci optycznej strontu z gazem kwantowym jest niezwykły stan materii zwany zdegenerowanym gazem Fermiego (gaz kwantowy dla cząstek Fermiego). Dane eksperymentalne pokazują 3,5 × 10-19 ^, że kwantowy zegar gazowy 3D osiągnął precyzję w ciągu około dwóch godzin. Według Jun Ye „Oznacza to znaczną poprawę w stosunku do wszelkich poprzednich demonstracji”. Ye dalej skomentował: „Najważniejszym potencjałem kwantowego zegara gazowego 3D jest możliwość zwiększania liczby atomów, co doprowadzi do ogromnego wzrostu stabilności”. oraz „Zdolność do zwiększania zarówno liczby atomów, jak i czasu koherencji sprawi, że ten zegar nowej generacji będzie jakościowo różnił się od poprzedniej generacji”. 2,5 × 10-19 ^, że kwantowy zegar gazowy 3D osiągnął precyzję częstotliwości w ciągu 6 godzin. Przy tej niepewności częstotliwości ten kwantowy zegar gazowy 3D straciłby lub zyskałby około 0,1 sekundy w ciągu wieku wszechświata. Ostatnio udowodniono, że splątanie kwantowe może przyczynić się do dalszego zwiększenia stabilności zegara. W 2020 roku badano zegary optyczne do zastosowań kosmicznych, takich jak przyszłe generacje globalnych systemów nawigacji satelitarnej (GNSS), jako zamienniki zegarów mikrofalowych.

W lutym 2022 roku naukowcy z University of Wisconsin-Madison poinformowali o „zmultipleksowanym” optycznym zegarze atomowym, w którym poszczególne zegary odchylały się od siebie z dokładnością równoważną utracie sekundy na 300 miliardów lat. Zgłoszone niewielkie odchylenie można wytłumaczyć, ponieważ oscylatory zegarowe, o których mowa, znajdują się w nieco innych środowiskach. Powodują one różne reakcje na grawitację, pola magnetyczne lub inne warunki. To podejście do zminiaturyzowanej sieci zegarowej jest nowatorskie, ponieważ wykorzystuje siatkę optyczną atomów strontu i konfigurację sześciu zegarów, które można wykorzystać do wykazania względnej stabilności, ułamkowej niepewności między zegarami i metod ultra-precyzyjnych porównań między zespołami optycznych zegarów atomowych które znajdują się blisko siebie w obiekcie metrologicznym.

Zegary optyczne są obecnie (2022) nadal głównie projektami badawczymi, mniej dojrzałymi niż standardy mikrofalowe rubidu i cezu, które regularnie dostarczają czas do Międzynarodowego Biura Miar (BIPM) w celu ustalenia Międzynarodowego Czasu Atomowego (TAI) . Eksperymentalne zegary optyczne wykraczają poza swoje mikrofalowe odpowiedniki pod względem dokładności i stabilności działania, co daje im możliwość zastąpienia obecnego standardu czasu, cezowego zegara fontannowego. W przyszłości może to doprowadzić do ponownego zdefiniowania sekundy SI opartej na mikrofalach cezowych, a inne nowe techniki rozpowszechniania na najwyższym poziomie dokładności do przesyłania sygnałów zegarowych będą wymagane, które można stosować zarówno w krótszym, jak i większym zasięgu (częstotliwość) porównywać lepsze zegary i badać ich podstawowe ograniczenia bez znaczącego uszczerbku dla ich wydajności. BIPM poinformował w grudniu 2021 r. W oparciu o postęp standardów optycznych przyczyniających się do TAI, Komitet Konsultacyjny ds. Czasu i Częstotliwości (CCTF) rozpoczął prace nad ponownym zdefiniowaniem sekundy oczekiwanej w latach 30. XX wieku.

Zegary atomowe w skali chipa

Najdokładniejsze zegary cezowe oparte na częstotliwości cezu 9,19 GHz mają ^{dokładność} między ^10-15-10-16 . Niestety są duże i dostępne tylko w dużych laboratoriach metrologicznych i nieprzydatne w fabrykach lub środowiskach przemysłowych, które używałyby zegara atomowego do dokładności GPS, ale nie stać ich na zbudowanie całego laboratorium metrologicznego dla jednego zegara atomowego. Naukowcy zaprojektowali strontowy zegar optyczny, który można przenosić w klimatyzowanej przyczepie samochodowej.

Redefinicja drugiego

W 2022 roku najlepszą realizacją sekundy są cezowe podstawowe standardowe zegary, takie jak IT-CsF2, NIST-F2, NPL-CsF2, PTB-CSF2, SU–CsFO2 czy SYRTE-FO2. Zegary te działają poprzez laserowe chłodzenie chmury atomów cezu do mikrokelwina w pułapce magnetooptycznej. Te zimne atomy są następnie wystrzeliwane pionowo za pomocą światła laserowego. Atomy ulegają następnie wzbudzeniu Ramseya we wnęce mikrofalowej. Frakcja wzbudzonych atomów jest następnie wykrywana za pomocą laserowych . Zegary te mają 5 × 10-16 , ^co odpowiada 50 pikosekundom dziennie. System kilku fontann na całym świecie przyczynia się do międzynarodowego czasu atomowego. Te zegary cezowe stanowią również podstawę pomiarów częstotliwości optycznych.

Zaletę zegarów optycznych można wytłumaczyć stwierdzeniem, że niestabilność $}}}$${\ Displaystyle \ sigma \ propto {\ Frac {\ Delta f} {f}} {\ Frac {1} {S /$$niestabilność$ , gdzie to , f to częstotliwość, a S / N to stosunek sygnału do szumu. ${\ sqrt {NT_ {int} \ tak }}}}}$ fa .

Zegary optyczne opierają się na zakazanych przejściach optycznych w jonach lub atomach. Mają częstotliwości około 10 ¹⁵ Hz , z naturalną szerokością linii $Hz$ , więc współczynnik Q wynosi około 10 ¹⁵ lub nawet więcej. Mają lepszą stabilność niż zegary mikrofalowe, co oznacza, że ​​mogą ułatwić ocenę mniejszych niepewności. Mają też lepszą rozdzielczość czasową, co oznacza, że ​​zegar „tyka” szybciej. Zegary optyczne wykorzystują albo pojedynczy jon, albo siatkę optyczną złożoną z 10 ⁴ – 10 ⁶ atomów.

stała Rydberga

Definicja oparta na stałej Rydberga wymagałaby ustalenia wartości do określonej wartości: ${\ Displaystyle R _ {\ infty} = {\ frac {m_{e}e^{4}}{8\varepsilon _{0}^{2}h^{3}c}}={\frac {m_{e}c\alpha ^{2}}{2h }}}$ . Stała Rydberga opisuje poziomy energii w atomie wodoru z nierelatywistycznym przybliżeniem mi ${\ Displaystyle E_ {n} \ ok - {\ Frac {R_ {\ infty} ch} {n ^$ .

Jedynym realnym sposobem ustalenia stałej Rydberga jest uwięzienie i schłodzenie wodoru. Niestety jest to trudne, ponieważ jest bardzo lekkie, a atomy poruszają się bardzo szybko, powodując przesunięcia Dopplera. Promieniowanie potrzebne do schłodzenia wodoru — 121,5 nm — jest również trudne. Kolejną przeszkodą jest poprawa niepewności w elektrodynamiki kwantowej /QED.

W Raporcie z 25. posiedzenia Komitetu Konsultacyjnego ds. Jednostek (2021) rozważono 3 opcje redefinicji drugiej w okolicach 2026, 2030 lub 2034. Pierwszym rozważanym podejściem do redefinicji była definicja oparta na pojedynczym odniesieniu atomowym przemiana. Drugim rozważanym podejściem redefinicyjnym była definicja oparta na zbiorze częstotliwości. Trzecim rozważanym podejściem do redefinicji była definicja oparta na ustaleniu wartości liczbowej stałej podstawowej, na przykład uczynienie stałej Rydberga podstawą definicji. Komisja doszła do wniosku, że nie ma wykonalnego sposobu na ponowne zdefiniowanie drugiego za pomocą trzeciej opcji, ponieważ obecnie nie jest znana żadna stała fizyczna z wystarczającą liczbą cyfr, aby umożliwić realizację drugiej ze stałą.

Wymagania

Nowa definicja musi obejmować poprawę niezawodności zegara optycznego. Zegary optyczne muszą przyczynić się do TAI, zanim BIPM potwierdzi redefinicję. Spójna metoda przesyłania sygnałów, taka jak światłowody , musi zostać opracowana przed ponownym zdefiniowaniem sekundy.

Aplikacje

Rozwój zegarów atomowych doprowadził do wielu postępów naukowych i technologicznych, takich jak precyzyjne globalne i regionalne systemy nawigacji satelitarnej oraz zastosowania w Internecie , które w dużym stopniu zależą od standardów częstotliwości i czasu. Zegary atomowe są instalowane w miejscach nadajników radiowych sygnału czasu . Są one używane w niektórych stacjach nadawczych na falach długich i średnich, aby zapewnić bardzo precyzyjną częstotliwość nośną. Zegary atomowe są używane w wielu dyscyplinach naukowych, na przykład w interferometrii z długą bazą w radioastronomii .

Globalne systemy nawigacji satelitarnej

Globalny system pozycjonowania (GPS) obsługiwany przez Siły Kosmiczne Stanów Zjednoczonych zapewnia bardzo dokładne sygnały czasu i częstotliwości. Odbiornik GPS działa na zasadzie pomiaru względnego opóźnienia sygnałów z co najmniej czterech, ale zwykle więcej, satelitów GPS, z których każdy ma na pokładzie co najmniej dwa cezowe i aż dwa rubidowe zegary atomowe. Względne czasy są matematycznie przekształcane na trzy bezwzględne współrzędne przestrzenne i jedną bezwzględną współrzędną czasową. Czas GPS (GPST) to ciągła skala czasu i teoretycznie z dokładnością do około 14 nanosekund . Jednak większość odbiorników traci dokładność w interpretacji sygnałów i osiąga dokładność tylko do 100 nanosekund. GPST jest spokrewniony z TAI (międzynarodowy czas atomowy) i UTC (uniwersalny czas koordynowany), ale różni się od nich. GPST pozostaje w stałym przesunięciu od TAI (TAI – GPST = 19 sekund) i podobnie jak TAI nie realizuje sekund przestępnych . Zegary pokładowe w satelitach są okresowo korygowane, aby były zsynchronizowane z zegarami naziemnymi. Komunikat nawigacji GPS zawiera różnice między GPST i UTC. Od lipca 2015 r. GPST wyprzedza UTC o 17 sekund z powodu sekundy przestępnej dodanej do UTC 30 czerwca 2015 r. Odbiorniki odejmuje to przesunięcie od czasu GPS, aby obliczyć UTC.

GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS) obsługiwany przez Rosyjskie Siły Obrony Powietrznej i Kosmicznej stanowi alternatywę dla systemu Global Positioning System (GPS) i jest drugim działającym systemem nawigacyjnym o globalnym zasięgu i porównywalnej precyzji. Czas GLONASS (GLONASST) jest generowany przez centralny synchronizator GLONASS i zwykle jest lepszy niż 1000 nanosekund. W przeciwieństwie do GPS, skala czasu GLONASS wykorzystuje sekundy przestępne, takie jak UTC.

Space Passive Hydrogen Maser używany w satelitach ESA Galileo jako zegar główny dla pokładowego systemu pomiaru czasu

Globalny system nawigacji satelitarnej Galileo jest obsługiwany przez Europejską Agencję GNSS i Europejską Agencję Kosmiczną . Galileo zaczął oferować globalne wczesne zdolności operacyjne (EOC) 15 grudnia 2016 r., dostarczając trzeci i pierwszy globalny system nawigacji satelitarnej nieobsługiwany przez wojsko. Czas systemowy Galileo (GST) to ciągła skala czasu generowana na ziemi w Centrum Kontroli Galileo w Fucino we Włoszech przez urządzenie do precyzyjnego pomiaru czasu, oparta na średnich różnych zegarach atomowych i utrzymywana przez segment centralny Galileo i zsynchronizowana z TAI z nominalnym przesunięciem poniżej 50 nanosekund. Według Agencji Europejskiego GNSS Galileo oferuje dokładność pomiaru czasu na poziomie 30 nanosekund. W kwartalnym raporcie wyników z marca 2018 r. sporządzonym przez Europejskie Centrum Usług GNSS podano, że dokładność usługi rozpowszechniania czasu UTC wynosiła ≤ 7,6 nanosekund, obliczona na podstawie gromadzenia próbek z ostatnich 12 miesięcy, i przekraczała cel ≤ 30 ns. Każdy satelita Galileo ma dwa pasywne masery wodorowe i dwa rubidowe zegary atomowe do pomiaru czasu na pokładzie. Komunikat nawigacyjny Galileo zawiera różnice między GST, UTC i GPST (w celu promowania interoperacyjności). Latem 2021 r. Unia Europejska zdecydowała się na pasywny maser wodorowy dla drugiej generacji satelitów Galileo, począwszy od 2023 r., z przewidywaną żywotnością 12 lat na satelitę. Masery mają około 2 stóp długości i ważą 40 funtów.

System nawigacji satelitarnej BeiDou-2/BeiDou-3 jest obsługiwany przez Chińską Narodową Administrację Kosmiczną . BeiDou Time (BDT) to ciągła skala czasu, która rozpoczyna się 1 stycznia 2006 r. o godzinie 0:00:00 UTC i jest zsynchronizowana z czasem UTC w ciągu 100 ns. BeiDou zaczął działać w Chinach w grudniu 2011 r., Używając 10 satelitów, i zaczął oferować usługi klientom w regionie Azji i Pacyfiku w grudniu 2012 r. 27 grudnia 2018 r. System nawigacji satelitarnej BeiDou zaczął świadczyć globalne usługi z zgłoszoną dokładnością pomiaru czasu 20 ns. Ostatni, 35. satelita BeiDou-3 o globalnym zasięgu został wystrzelony na orbitę 23 czerwca 2020 r.

Eksperymentalny zegar kosmiczny

W kwietniu 2015 roku NASA ogłosiła, że ​​planuje rozmieścić w przestrzeni kosmicznej Deep Space Atomic Clock (DSAC), zminiaturyzowany, ultraprecyzyjny zegar atomowy z jonami rtęci. NASA powiedziała, że ​​DSAC byłby znacznie bardziej stabilny niż inne zegary nawigacyjne. Zegar został pomyślnie uruchomiony 25 czerwca 2019 r., aktywowany 23 sierpnia 2019 r. i dezaktywowany dwa lata później, 18 września 2021 r.

Zastosowanie wojskowe

W 2022 roku DARPA ogłosiła dążenie do modernizacji amerykańskich wojskowych systemów pomiaru czasu w celu uzyskania większej precyzji w czasie, gdy czujniki nie mają dostępu do satelitów GPS, z planem osiągnięcia dokładności 1 części na 10 ¹² . Solidna sieć zegarów optycznych zrównoważy użyteczność i dokładność, ponieważ jest rozwijana przez 4 lata.

Nadajniki radiowe sygnału czasu

Główny artykuł: Zegar radiowy

Zegar radiowy to zegar, który automatycznie synchronizuje się za pomocą radiowych sygnałów czasu odbieranych przez odbiornik radiowy . Niektórzy producenci mogą oznaczać zegary radiowe jako zegary atomowe, ponieważ sygnały radiowe, które otrzymują, pochodzą z zegarów atomowych. Zwykłe, niedrogie odbiorniki klasy konsumenckiej, które opierają się na sygnałach czasowych z modulacją amplitudy, mają praktyczną niepewność dokładności ± 0,1 sekundy. Jest to wystarczające dla wielu zastosowań konsumenckich. Odbiorniki czasu klasy instrumentalnej zapewniają wyższą dokładność. Zegary radiowe powodują opóźnienie propagacji około 1 ms na każde 300 kilometrów (186 mil) odległości od nadajnika radiowego . Wiele rządów używa nadajników do pomiaru czasu.

Ogólna teoria względności

Ogólna teoria względności przewiduje, że zegary tykają wolniej w głębi pola grawitacyjnego, a efekt grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni jest dobrze obserwowany. Zegary atomowe są skuteczne w testowaniu ogólnej teorii względności w coraz mniejszych skalach. Projekt obserwacji 12 zegarów atomowych od 11 listopada 1999 do października 2014 zaowocował dalszym wykazaniem, że ogólna teoria względności Einsteina jest dokładna w małych skalach. W 2021 roku zespół naukowców z JILA zmierzył różnicę w upływie czasu spowodowaną grawitacyjnym przesunięciem ku czerwieni między dwiema warstwami atomów oddalonymi o 1 milimetr za 7,6 × 10-21 ^pomocą strontowego zegara optycznego schłodzonego do 100 nanokelwinów z precyzją sekund. Biorąc pod uwagę jego kwantową naturę i fakt, że czas jest wielkością relatywistyczną, zegary atomowe mogą być również używane do sprawdzania, jak na czas wpływają jednocześnie ogólna teoria względności i mechanika kwantowa.

Systemy finansowe

Zegary atomowe przechowują dokładne zapisy transakcji między kupującymi a sprzedającymi z dokładnością do milisekundy lub lepszą, szczególnie w handlu o wysokiej częstotliwości . Dokładny pomiar czasu jest potrzebny, aby z wyprzedzeniem zapobiegać nielegalnemu handlowi, a także zapewnić uczciwość handlowcom po drugiej stronie globu. Obecny system znany jako NTP jest dokładny tylko do milisekundy.

Zobacz też

• Norma cezu
• Dryf zegara
• Efekt Dicka
• Lista zegarów atomowych
• Protokół czasu sieciowego
• Podstawowy atomowy zegar odniesienia w kosmosie
• Pulsarowy zegar
• Mówiący zegar
• Metrologia czasu
• Przeniesienie czasu
• Zegar optyczny