Zegar atomowy działa na zasadzie wykorzystywania atomów, które mogą być w jednym z dwóch stanów energetycznych. Atomy są najpierw ustawiane w jednym z tych stanów, a następnie poddawane promieniowaniu mikrofalowemu. Jeśli promieniowanie ma odpowiednią częstotliwość, część atomów zmieni stan energetyczny. Im bardziej zbliżona jest częstotliwość promieniowania do naturalnej częstotliwości oscylacji atomów, tym więcej atomów zmieni stan. To pozwala na bardzo dokładne dostrojenie częstotliwości promieniowania mikrofalowego. Gdy promieniowanie mikrofalowe zostanie dostrojone do znanej częstotliwości, przy której maksymalna liczba atomów zmienia stan, częstotliwość ta może być używana jako oscylator do pomiaru czasu, który upłynął.
Gdzie znajdują się zegary atomowe?
Zegary atomowe są utrzymywane przez wiele narodowych laboratoriów metrologicznych, takich jak Obserwatorium Paryskie, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) w Niemczech, National Institute of Standards and Technology (NIST) w Kolorado i Maryland w USA, JILA na Uniwersytecie Kolorado w Boulder, Narodowe Laboratorium Fizyczne (NPL) w Wielkiej Brytanii oraz Ogólnorosyjski Instytut Naukowo-Badawczy Metrologii Fizyko-Technicznej i Radiotechnicznej. Te laboratoria projektują i budują wzorce częstotliwości, które generują oscylacje elektryczne o znanej częstotliwości związanej z przejściem cezu 133, osiągając bardzo niską niepewność. Te wzorce korygują różne przesunięcia częstotliwości, w tym relatywistyczne przesunięcia dopplerowskie, promieniowanie cieplne otoczenia i inne czynniki. Najlepsze wzorce pierwotne obecnie mierzą sekundę SI z dokładnością do jednej części na 10^16.
Warto zaznaczyć, że przy tej precyzji różnice w polu grawitacyjnym w urządzeniu nie mogą być ignorowane. Standard jest rozpatrywany w ramach ogólnej teorii względności, aby zapewnić dokładny czas w danym punkcie.
Międzynarodowe Biuro Miar i Wag (BIPM) publikuje listę częstotliwości, które służą jako drugorzędne reprezentacje sekundy. Lista ta zawiera wartości częstotliwości i odpowiednie niepewności standardowe dla przejścia mikrofalowego rubidu i innych przejść optycznych, w tym atomów obojętnych i pojedynczych uwięzionych jonów. Te wzorce częstotliwości wtórnej mogą być dokładne do jednej części na 10^18; jednak niepewności na liście są rzędu jednej części na 10^14–10^16, ponieważ centralny wzorzec cezu, względem którego wzorce drugorzędne są kalibrowane, ma niepewność jednej części na 10^14–10^16.
Pierwotne wzorce częstotliwości mogą być używane do kalibracji innych zegarów używanych w krajowych laboratoriach. Są to zazwyczaj komercyjne zegary cezowe o bardzo dobrej długoterminowej stabilności częstotliwości, utrzymujące częstotliwość o stabilności lepszej niż jedna część na 10^14 przez kilka miesięcy. Niepewność pierwszorzędowych wzorców częstotliwości wynosi około jednej części na 10^13.
Masery wodorowe
Masery wodorowe, które opierają się na przejściu nadsubtelnym 1,4 GHz w wodorze atomowym, są również używane w laboratoriach metrologii czasu. Masery te przewyższają komercyjne zegary cezowe pod względem krótkoterminowej stabilności częstotliwości. W przeszłości były używane w zastosowaniach wymagających stałego odniesienia przez okresy krótsze niż jeden dzień (stabilność częstotliwości około jednej części na dziesięć dla czasów uśredniania kilku godzin). Niektóre masery wodorowe mają przewidywalny dryf częstotliwości w czasie, co sprawia, że są ważnym elementem zespołu zegarów BIPM, które realizują międzynarodowy czas atomowy.
