Jak działają zegary atomowe?
Zegary atomowe działają na niezwykle precyzyjnej zasadzie oscylacji atomów, które mogą istnieć w dwóch stabilnych stanach energetycznych. Aby wyznaczyć dokładny czas, najpierw atomy są ustawiane w jednym ze stanów energetycznych, a następnie poddawane działaniu promieniowania mikrofalowego. W wyniku precyzyjnego dostrojenia, część atomów zmienia swój stan energetyczny, co pozwala na dokładne pomiary. Gdy częstotliwość promieniowania mikrofalowego idealnie pokrywa się z naturalną częstotliwością oscylacji atomów, maksymalna liczba atomów zmienia stan, co pozwala na wyznaczenie stabilnej częstotliwości, będącej podstawą do pomiaru czasu.
Zaletą zegarów atomowych jest ich niezwykła precyzja, która przekracza możliwości zegarów kwarcowych czy mechanicznych. Przy idealnie dostrojonej częstotliwości, zegar atomowy może mierzyć czas z dokładnością do jednej sekundy na miliony lat. To osiągnięcie jest możliwe dzięki zastosowaniu atomów cezu lub rubidu, które wykazują stabilne właściwości oscylacyjne, gwarantując dokładność pomiarów na poziomie atomowym. Zegary atomowe są więc niezastąpionym narzędziem nie tylko w technologii czasu, ale również w dziedzinach nauki i przemysłu, gdzie dokładne mierzenie upływu czasu jest niezbędne.
Gdzie znajdują się zegary atomowe?
Zegary atomowe są stosowane i przechowywane w narodowych laboratoriach metrologicznych na całym świecie, które odgrywają kluczową rolę w utrzymaniu międzynarodowych standardów czasu. Wśród najbardziej znanych instytucji znajdują się Obserwatorium Paryskie, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) w Niemczech, National Institute of Standards and Technology (NIST) w USA, Narodowe Laboratorium Fizyczne (NPL) w Wielkiej Brytanii oraz Ogólnorosyjski Instytut Naukowo-Badawczy Metrologii Fizyko-Technicznej i Radiotechnicznej. Laboratoria te projektują i budują wzorce częstotliwości, które generują oscylacje elektryczne o precyzyjnie ustalonej częstotliwości, związanej z przejściem atomów cezu 133. Dzięki temu osiągają one bardzo niską niepewność i stanowią podstawę dla międzynarodowego systemu odmierzania czasu.
Proces kalibracji tych zegarów wymaga uwzględnienia relatywistycznych przesunięć dopplerowskich, promieniowania cieplnego oraz innych czynników wpływających na stabilność częstotliwości. Najlepsze wzorce pierwotne osiągają dokładność na poziomie jednej części na 10^16, co oznacza minimalne odchylenia i wyjątkową stabilność czasu. Dla zachowania jednolitości pomiaru czasu na świecie, Międzynarodowe Biuro Miar i Wag (BIPM) publikuje listę częstotliwości dla sekundarnych wzorców, jak rubid czy inne przejścia optyczne, które są kalibrowane względem cezu.
Pierwotne i wtórne wzorce częstotliwości
Zegary atomowe oparte na cezowym wzorcu częstotliwości stanowią podstawę międzynarodowego systemu odmierzania czasu. W krajowych laboratoriach stosuje się także komercyjne zegary cezowe o wyjątkowo stabilnej długoterminowej częstotliwości, które zapewniają stabilność na poziomie jednej części na 10^14 przez kilka miesięcy. Wtórne wzorce częstotliwości, jak rubidowe i optyczne przejścia atomów, są coraz bardziej zaawansowane, oferując dokładność nawet do jednej części na 10^18.
Wtórne wzorce częstotliwości umożliwiają dostrojenie innych urządzeń i są wykorzystywane w kalibracji krajowych zegarów, które znajdują się w laboratoriach na całym świecie. Przechodzą one regularne testy, by zapewnić jak najwyższy poziom dokładności. Dzięki temu zegary atomowe mogą działać przez długie lata bez konieczności ponownego dostrajania, co pozwala na ich szerokie wykorzystanie w nauce, technologii i przemyśle.
Masery wodorowe
Masery wodorowe są innowacyjnymi urządzeniami czasowymi, które opierają się na przejściu nadsubtelnym atomów wodoru przy częstotliwości 1,4 GHz. Stanowią one ważne uzupełnienie dla standardowych zegarów cezowych, przewyższając je pod względem krótkoterminowej stabilności częstotliwości. Masery te są szczególnie użyteczne w sytuacjach, które wymagają stabilnego odniesienia na krótki czas, jak na przykład w ciągu jednego dnia, ponieważ ich stabilność częstotliwości wynosi jedną część na 10 w czasie kilku godzin.
Masery wodorowe są ważnym elementem zespołu zegarów używanych do realizacji międzynarodowego czasu atomowego przez Międzynarodowe Biuro Miar i Wag. Dzięki maserom wodorowym, zegary atomowe są dostosowane do ekstremalnych wymagań precyzyjnego pomiaru czasu, co pozwala na ich szerokie wykorzystanie w aplikacjach naukowych i technologicznych, od badań kosmicznych po telekomunikację i nawigację.
