Zegar atomowy

Cezowy zegar atomowy
Cezowy zegar atomowy, widok wnętrza
Zegar atomowy wielkości układu scalonego

Zegar atomowy – rodzaj zegara, którego działanie opiera się na zliczaniu okresów atomowego wzorca częstotliwości.

Historia

Koncepcje budowy zegarów używających własności atomów pochodzą od Lorda Kelvina z 1879 roku[1]. Pierwszy zegar atomowy był urządzeniem wykorzystującym linię spektralną amoniaku o częstotliwości 23870,1 MHz, był zbudowany w 1949 r., w amerykańskim Narodowym Biurze Standaryzacji. Był mniej dokładny niż istniejące wówczas zegary kwarcowe, ale służył do demonstracji koncepcji. Po skonstruowaniu masera zegary atomowe były budowane jako połączenie maserów o niewiele różniących się częstotliwościach i dołączonym oprzyrządowaniem mierzącym tę różnicę[2].

Współcześnie najdokładniejsze zegary atomowe bazują na własnościach emisyjnych atomów, z uwzględnieniem struktury nadsubtelnej atomów np. cezu. Dokładność takich zegarów dochodzi do 10-18, co oznacza 1 sekundę w ciągu wieku Wszechświata[3]. Zegary te utrzymują ciągły i stabilny czas TAI (z fr. Temps Atomique International). W zastosowaniach cywilnych używa się innej skali czasu – UTC (z ang. Coordinated Universal Time). Czas ten jest obliczany na podstawie czasu TAI z uwzględnieniem obserwacji astronomicznych, które wymagają okresowej korekcji o tzw. sekundę przestępną (skokową).

Pierwszy dokładny zegar atomowy bazował na promieniowaniu z przejść elektronu w strukturze nadsubtelnej na poziomie podstawowym w atomach izotopu cezu-133, zbudował go Louis Essen w 1955 w National Physical Laboratory w Anglii. To doprowadziło do przyjęcia na całym świecie definicji sekundy opartej na czasie atomowym.

W sierpniu 2004, uczeni z amerykańskiego National Institute of Standards and Technology (NIST) zademonstrowali miniaturowy zegar atomowy: właściwa część zegara – komora z cezem – ma wielkość ziarna ryżu, średnicę 1,5 mm i długość 4 mm. Cały układ (komora wraz z oprzy­rządowaniem: diodą laserową, polaryzatorami, fotodiodą) zajmuje objętość około 1 cm³, a więc porównywalną z układami zegarów kwarcowych. Jego dokładność jest jednak tysiąckrotnie wyższa niż zegarów kwarcowych i wynosi jedną dziesięciomiliardową (10-10), co oznacza dopuszczalne odchylenie o wartości 1 sekundy w ciągu 300 lat. Według konstruktorów, zegar ten jest sto razy mniejszy od innych zegarów atomowych. Potrzebuje także jedynie 75 mW mocy do działania, co czyni go zdatnym do zasilania bateryjnego.

Zastosowania

W praktycznych zastosowaniach zegary atomowe są zbyt drogie dla indywidualnych użytkowników, równocześnie ich dokładność rzadko bywa niezbędna w codziennym życiu. W praktyce, tam gdzie jest potrzebny dokładny czas, buduje się rozwiązania bazujące na zegarze atomowym i przekazujące informacje o czasie przy pomocy fal radiowych, np. DCF77 lub (mniej dokładnie) przy pomocy sieci Internet protokołem NTP. Przykładem takich zastosowań są zegary wykorzystujące transmisję z systemów np. nawigacji satelitarnej (GPS, GLONASS, czy Galileo). W takim rozwiązaniu źródłem czasu jest zegar atomowy znajdujący się w satelicie systemu. Jednak i tu względy oszczędnościowe sprawiły, że po roku 2000 coraz częściej na pokładach satelitów montuje się tańsze zegary rubidowe. Ich dziesięciokrotnie niższa cena oraz czterokrotnie dłuższy czas eksploatacji mają decydujące znaczenie ekonomiczne.

W Polsce znajduje się kilkanaście cezowych zegarów atomowych (model 5071A) oraz maserów wodorowych[4]. Posiadające je organizacje i firmy zrzeszone są porozumieniem TA(PL) krajowych laboratoriów ds. porównań wzorców czasu i częstotliwości. Wyznaczają one polską skalę czasu atomowego TA(PL), porównywaną również do TAI. W grudniu 2014 roku w Krajowym Laboratorium FAMO w Toruniu uruchomiony został również pierwszy w Polsce optyczny zegar atomowy, bazujący na atomach strontu w sieci optycznej[5][6].

Obecnie do najbardziej precyzyjnych zegarów zalicza się masery wodorowe oraz zegary bazujące na przejściach atomowych z zakresu optycznego fal elektromagnetycznych, zwane optycznymi zegarami atomowymi[7]. Rozwój prac nad nowymi wzorcami optycznymi (laserowymi) w najbliższych latach doprowadzi do wprowadzenia nowej definicji sekundy[8].

W 2019 w przestrzeni kosmicznej przeprowadzono testy zegara Deep Space Atomic Clock, który ma zostać standardowym wyposażeniem przyszłych sond kosmicznych NASA[9].

Zobacz też

Przypisy

  1. ↑ William Thomson, Peter Guthrie Tait: Treatise on Natural Philosophy. Wyd. 2. T. 1, part 1. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1879, s. 227.
  2. ↑ Adam Faudrowicz. Masery w radioastronomii. „Postępy astronomii”, s. 4 - 11, 1963. 
  3. ↑ N. Huntemann i inni, Single-Ion Atomic Clock with $3x10^{-18}$ Systematic Uncertainty, „Physical Review Letters”, 6, 2016, s. 063001, DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.063001 [dostęp 2016-03-31].
  4. ↑ Strona Obserwatorium Astrogeodynamicznego Borowiec, www.cbk.poznan.pl [dostęp 2016-03-31].
  5. ↑ Ruszył jeden z najprecyzyjniejszych optycznych zegarów atomowych - Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, www.fuw.edu.pl [dostęp 2016-03-31].
  6. ↑ Marcin Piotrowski, Pierwszy polski optyczny zegar atomowy tyka w Toruniu! | Fiztaszki, www.fiztaszki.pl, 8 grudnia 2014 [dostęp 2016-03-31].
  7. ↑ Andrew D. Ludlow i inni, Optical atomic clocks, „Reviews of Modern Physics”, 2, 2015, s. 637–701, DOI: 10.1103/RevModPhys.87.637 [dostęp 2016-03-31].
  8. ↑ Fritz Riehle, Towards a redefinition of the second based on optical atomic clocks, „Comptes Rendus Physique”, 5, The measurement of time / La mesure du temps, 2015, s. 506–515, DOI: 10.1016/j.crhy.2015.03.012 [dostęp 2016-03-31].
  9. ↑ Krzysztof Kowalski: Atomowy zegar kieszonkowy. rp.pl, 2019-07-18. [dostęp 2019-07-19].

Media użyte na tej stronie

Cesium clock.JPG
Autor: (c) 2005 Zubro, Licencja: CC-BY-SA-3.0
Inside of an HP 5061 cesium beam atomic clock. These are commonly used as a primary time standard in national standards laboratories and naval observatories.
ChipScaleClock2 HR.jpg
Chip-Scale Atomic Clock Unveiled by NIST. Original caption: "The physics package of the NIST chip-scale atomic clock includes (from the bottom) a laser, a lens, an optical attenuator to reduce the laser power, a waveplate that changes the polarization of the light, a cell containing a vapor of cesium atoms, and (on top) a photodiode to detect the laser light transmitted through the cell. The tiny gold wires provide electrical connections to the electronics for the clock."
HP 5061A Cesium beam frequency standard.jpg
Autor: (c) 2005 Zubro, Licencja: CC-BY-SA-3.0
HP 5061A Cesium beam frequency standard