Nowa definicja sekundy. Optyczny zegar atomowy osiąga rekordową dokładność
Wyobraź sobie zegar, który spóźnia się o sekundę raz na 13 mld lat. Imponujące, prawda? Fizycy pracują nad nową generacją zegarów atomowych, które rewolucjonizują pomiar czasu. I nie jest to odległa przyszłość – te technologie są już testowane.
Następna generacja zegarów atomowych „tyka” z częstotliwością lasera. To około 100 000 razy szybciej niż częstotliwości zegarów cezowych, które obecnie mierzą doskonałą sekundę. Dlatego w przyszłości zegary optyczne powinny stać się podstawą globalnej definicji sekund w Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI). Zanim to jednak nastąpi, zegary optyczne muszą udowodnić swoją niezawodność w drodze wielokrotnych testów i porównań na całym świecie.
Tymczasem naukowcy wykazali właśnie wysoki poziom dokładności w nowym typie zegara, który może mierzyć czas 1000 razy dokładniej niż zegary cezowe. W tym celu nowy zegar jonowy porównano z innymi zegarami optycznymi i uzyskano nowy rekord dokładności. Badanie przeprowadzone przez niemieckich naukowców z Physikalisch-Technische Bundesanstalt ukazało się w bieżącym numerze Physical Review Letters.
Więcej o czasie przeczytasz na Spider's Web:
Kwantowa precyzja w akcji
Obecnie definicja sekundy opiera się na częstotliwości promieniowania cezu-133. Zegary cezowe, choć niezwykle precyzyjne, powoli ustępują miejsca nowej technologii: zegarom optycznym. Zamiast mikrofal, wykorzystują one światło laserowe, a to robi gigantyczną różnicę.
W optycznym zegarze atomowym atomy są "napromieniane "traktowane" światłem lasera. Jeśli laser ma dokładnie odpowiednią częstotliwość, atomy zmieniają swój stan. Wyobraźmy sobie maleńki kryształ, w którym znajdują się uwięzione jony. Te atomowe cząstki "tańczą" w precyzyjnym rytmie, napędzane przez laser. Ten rytm jest tak stabilny, że można go wykorzystać jako podstawę dla pomiaru czasu. To nie tylko naukowy majstersztyk, ale również technologiczna rewolucja.
Rozwiązanie takie działa bardzo dobrze w przypadku zegarów optycznych z uwięzionymi jonami. Jony można uwięzić w próżni za pomocą pól elektrycznych o wielkości kilku nanometrów. Dzięki doskonałej kontroli i izolacji układ taki jest bardzo bliski ideałowi niezakłóconego układu kwantowego.
Dlatego zegary jonowe osiągnęły niepewność przekraczającą 18. miejsce po przecinku. Gdyby taki zegar tykał od Wielkiego Wybuchu (około 13 mld lat), dzisiaj byłby opóźniony co najwyżej o jedną sekundę.
Teraz tak wysoką dokładność wykazano także w nowym typie zegara, który może mierzyć czas i częstotliwość 1000 razy dokładniej niż obecne zegary cezowe, które realizują pomiar z dokładnością do sekundy w układzie SI. By to potwierdzić, badacze przeprowadzili porównania z innymi zegarami optycznymi, ustanawiając nowy rekord dokładności.
Nowy król precyzji
Physikalisch-Technische Bundesanstalt jest jedną z wiodących instytucji na świecie zajmujących się pomiarem czasu i do tej pory opracowała imponującą serię różnych zegarów optycznych - wśród których znajdują się zegary pojedynczych jonów i zegary sieci optycznej.
Poprzednie zegary jonowe działały za pomocą pojedynczego jonu zegarowego. Aby określić częstotliwość na tym poziomie, należy mierzyć jego niewielki sygnał przez długie okresy czasu, aż do dwóch tygodni. Aby w pełni wykorzystać potencjał, wymagane byłyby czasy pomiarów dłuższe niż 3 lata.
Dzięki nowo opracowanemu zegarowi czas pomiaru zostaje drastycznie skrócony: w tym przypadku kilka jonów zostaje wyłapanych w pułapce w tym samym czasie i często różne jony są łączone. Poprzez wzajemne oddziaływanie tworzą nową, krystaliczną strukturę.
Ta koncepcja umożliwia również łączenie mocy różnych jonów. Wykorzystujemy jony indu ze względu na ich korzystne właściwości, aby osiągnąć wysoki poziom precyzji. Do kryształu dodaje się również jony iterbu, aby zapewnić efektywne chłodzenie
– wyjaśnia fizyk PTB Jonas Keller.
Jednym z wyzwań było opracowanie pułapki jonowej, która mogłaby wykorzystywać tak przestrzennie rozciągnięty kryształ jak zegar. Kolejnym wyzwaniem było opracowanie eksperymentalnych metod pozycjonowania jonów chłodzących w krysztale. Zespół był w stanie w imponujący sposób rozwiązać te problemy dzięki nowym pomysłom: zegar osiąga obecnie dokładność bliską 18. miejsca po przecinku. Koncepcja ta obiecuje nową generację zegarów jonowych o wysokiej stabilności i dokładności.
Skok w przyszłość
Precyzyjne pomiary czasu to fundament współczesnej technologii. GPS, sieci telekomunikacyjne, badania kosmiczne – wszystko to wymaga ekstremalnej dokładności. Optyczne zegary atomowe mogą zapewnić nowy poziom synchronizacji, co przełoży się na lepsze nawigacje, szybszy internet i jeszcze dokładniejsze eksperymenty naukowe.
Mimo że optyczne zegary atomowe są jeszcze w fazie testów, wszystko wskazuje na to, że wkrótce staną się nowym standardem definicji sekundy w Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar (SI).
