Atomski sat

Atomski sat je vrsta sata koji koristi standardnu rezonantnu frekvenciju atoma kao brojač. Rani atomski satovi bili su mejzeri (aparati koji proizvode koherentne elektromagnetne talase) s dodatnom opremom. Današnji najbolji standardi atomske frekvencije (ili satovi) su zasnovani na mnogo naprednijoj fizici koja uključuje hladne atome i atomske izvore.

Navionalne agencije za standarde određuju tačnost od 10-9 sekundi na dan i preciznost jednaku frekvenciji radio transmitera koji pokreće mejzer. Satovi održavaju kontinuiranu i stabilnu vremensku skalu, Međunarodno atomsko vreme (TAI). Za civilnu upotrebu koristi se druga vremenska skala, Koordinisano univerzalno vreme (UTC). UTC je proizašlo iz TAI-a, ali je sinhronizovan smenom dana i noći zasnovanom na astronomskim posmatranjima.

Prvi atomski sat napravljen je 1949 u američkom Nacionalnom birou za standarde (NBS). Prvi precizan atomski sat, zasnovan na promenama atoma cezijuma-133, napravio je Luis Esen 1955. u Nacionalnoj fizičkoj laboratoriji u Velikoj Britaniji. Na osnovu njega nastala je međunarodno priznata definicija sekunde zasnovana na atomskom vremenu.

U avgustu 2004. naučnici Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) prikazali su atomski sat sa integralnim kolom. Taj sat je bio sto puta manji od ostalih. Takođe se tvrdilo da mu je dovoljno samo 75 mW, tako da je mogao biti napajan baterijom.

Moderni radio satovi su povezani s atomskim satovima i omogućuju vrlo tačno vreme uz korišćenje jevtine opreme; radio satovi, međutim nisu dovoljno precizni za naučni rad.


Kako radi atomski sat

Frekventni mejzeri koriste komore jonizovanog gasa, još češće cezijuma, jer je cezijum element koji se koristi u zvaničnim međunarodnim definicijama sekunde.

Od 1967, Međunarodni sistem jedinica mere (SI) definiše sekundu kao 9,192,631,770 ciklusa radijacije koja odgovara razmeni između dva novoa energije atoma cesijum-133. Ova definicija je odredila cezijumov oscilator (koji se često naziva atomski sat) kao primarni standard za merenje vremena i frekvencije. Druge fizičke mere, kao što su volt i metar, oslanjaju se na definiciju sekunde u svojim sopstvenim definicijama.

Srce atomskog sata je mikrotalasna komora koje sadrži joniziran gas, podesivi mikrotalasni radio oscilator i kontroler koji podešava oscilator na tačnu frekvenciju apsorpcionih karakteristika definisanih ponašanjem pojedinih atoma.

Mikrotalasni transmiter ispunjava komoru standardnim radio talasom. Kada se radio frekvencija upari s superfinom tranzicijom frekvencije cezijuma, atomi sezijuma apsorbuju radio talase i emituju svetlost. Radio talasi teraju elektrone dalje od jezgra. Kada elektroni budu ponovo privučeni suprotnim punjenjem jezgra, elektroni vijugaju pre nego se smeste na novu lokaciju. Ovo kretanje izaziva svetlost, koje je talas naizmeničnog elektriciteta i magnetizma.

Foto ćelija registruje svetlost. Kada svetlost postane tamnija, jer je pobuđena frekvencija drugačija od prave rezonantne frekvencije, elektronika između foto ćelije i radio transmitera podešava frekvenciju radio transmitera.

Ovo podešavanje procesa je najsloženiji deo sata. Podešavanje pokušava da eliminiše neželjene sporedne efekte, kao što su frekvencije drugih tranzicija elektrona, deformacija u kvantnim poljima i efekti temperature u mehanizmu. Na primer: frekvencija radio talasa može namerno biti sinusoidno podešena naviše ili naniže da bi generisala modulisani signal u foto ćeliji. Signal iz foto ćelije tada može biti demodulisan da bi napravio povratnu spregu koja kontroliše dugotrajne otklone u radio frekvenciji. Na taj način, ultra-precizne kvantne mehaničke karakteristike atomske tranzicije cezijuma mogu da se koriste za podešavanje mikrotalasnog oscilatora na istu frekvenciju (izuzev male količine izazvane eksperimantalnom greškom). U praksi, mehanizam povratne sprege i kontrole je mnogo složeniji nego što je opisano. Kada se sat prvi put pokrene, potrebno je malo vremena da se podesi.
 
Istorijska preciznost atomskih satova (NIST).

Brojač meri talase koje proizvodi radio transmiter. Računar očitava brojač i konvertuje brojeve na sličan način kao digitalni sat.

Veliki broj drugih atomskih satova koristi se za druge namene. Rubidijumski satovi su popularni zbog svoje male cene, malih dimenzija (komercijalni standardi su 400 cm3) i kratkoročne stabilnosti. Oni se koriste u mnogim komercijalnim, prenosnim i avionskim uređajima. Vodnični mejzeri (često proizvedeni u Rusiji) imaju superiornu kratkoročnu stabilnost, ali manju dugoročnu preciznost.

Životni vek standarda je važan praktičan problem. Moderne rubidijumske standardne cevi traju više od deset godina, a koštaju oko 50 dolara. Cezijumske cevi traju oko sedam godina i koštaju oko 35.000 dolara. Hidrogenske cevi imaju neograničen vek trajanja.

Istraživanja

Mnoga istraživanja usmerena su da se naprave manji, jeftiniji, precizniji i pouzdaniji satovi. Ovi ciljevi su često međusobno sukobljeni.

Mnoga sadašnja istraživanja usmerena su na razne načine hvatanja jona. Teorijski, jedan elektomagnetski zaustavljen jon može da se posmatra u vrlo dugom periodu, čime se povećava preciznost sata, a istovremeno smanjuje veličina sata i potrošnja energije.

U praksi, satovi s jednim jonom imaju slabu kratkoročnu preciznost, jer se jon mnogo kreće. Savremena istraživanja koriste lasersko hlađenje jona, s optičkim rezonatorima da bi povećali kratkoročnu stabilnost. Najveći deo teškoća odnosi se na eliminisanje temperaturnih i mehaničkih efekata u rezonatorima i laserima. Ni jedan laser nije za širu upotrebu. Rezultat je da je komora za jone vrlo mala, ali je prateća oprema još uvek glomazna.

Neki istraživači razvili su satove s različitom geometrijom komora za jone. Linearni oblaci jona obično imaju bolju kratkoročnu preciznost od jednog jona.

Najrazviniji sistemi koriste merkurijumove jone. Neki istraživači eksperimentišu s drugim jonima. Poseban izotop iterbijum ima posebno preciznu rezonantnu frekvenciju. Stroncijum ima superfinu tranziciju koja nije tako precizna, ali se može podesiti solidnim laserima. Možda će to dovesti do vrlo jevtinog, dugotrajnog, kompaktnog atomskog sata.

Izvor: Wikipedia