Sercem każdego zegara jest oscylacja o bardzo regularnym okresie występowania — od ruchów wahadła po oscylacje kryształu kwarcu pobudzanego prądem elektrycznym. Pomimo niezwykle pomysłowych rozwiązań konstrukcyjnych zegary mechaniczne i elektromechaniczne są jednak podatne na zmiany temperatury i starzenie się części. W obliczu wymagań coraz większej precyzji mierzenia czasu potrzebne są oscylatory o coraz wyższych częstotliwościach.
Optyczne zegary atomowe wykorzystują częstotliwość przejść elektronowych z jednej orbity atomowej na inną. Stanowią one rewolucyjny krok w rozwoju standardów czasu, a ich powstanie było możliwe dzięki postępom w technologiach laserów i optyce kwantowej. Wykorzystują one ultrawysokie częstotliwości oscylacji optycznych. Optyczne zegary atomowe mogą zatem zastąpić zegary cezowe (Cs), które "tykają" z częstotliwością mikrofalową, czyli około 10 miliardów razy na sekundę.
W tak zwanych siatkowych optycznych zegarach atomowych zimne atomy są rozciągane w falę laserową o postaci fali stojącej (siatki optycznej). W takiej strukturze uwięzione są jednocześnie tysiące atomów. Dostrojenie światła lasera siatki do precyzyjnie określonej długości fali pozwala zminimalizować wpływ światła na przejścia elektronowe. Oznacza to, że optyczne zegary atomowe mogą zapewnić bezprecedensową dokładność i stabilność.
Dzięki dofinansowaniu UE dla projektu
SOC2 zespół badaczy rozwija i testuje kluczowe komponenty i podsystemy wymagane do stworzenia ultraprecyzyjnych siatkowych zegarów optycznych na atomach obojętnych, które nadawałyby się do przenoszenia, a docelowo również do zastosowań kosmicznych. Prace są prowadzone z użyciem atomów iterbu (Yb) i strontu (Sr).
Naukowcy z projektu SOC2 opracowali niezbędne podsystemy laserowe i zintegrowali je z podsystemami atomowymi dla strontu i iterbu, wykonując kompletne systemy zegarowe. Przykładowo, dla zegara na bazie Sr stworzono kompaktowe i odporne podsystemy stabilizacji częstotliwości wykorzystujące wnęki optyczne, spowalniacz atomów z magnesami stałymi i bardzo małą komorę atomów. Wykonany system jest kompaktowy, ma niski pobór mocy i regularnie generuje ultrazimne atomy Sr.
W przypadku zegara na bazie Yb naukowcy opracowali z użyciem interferencji wąskopasmowej lasery diodowe o zewnętrznej wnęce, które powinny być stabilniejsze od typowych laserów stabilizowanych dyfrakcyjnie. Pierwszy prototyp zaprojektowanej aparatury modułowej jest już w pełni sprawny. Działa on automatycznie i stabilnie przez kilka godzin nieprzerwanej pracy. Niedawno pomyślnie przewieziono go furgonetką z Uniwersytetu w Düsseldorfie do włoskiego instytutu metrologicznego w Turynie, gdzie trwa określanie jego szczegółowych charakterystyk.
Po dopracowaniu optyczne zegary atomowe tworzone przez projekt SOC2 posłużą za prototypy techniczne przyszłych zegarów przeznaczonych do prowadzenia eksperymentów kosmicznych, które umożliwią między innymi dokładniejsze badanie fundamentalnego aspektu ogólnej teorii względności Einsteina, jakim jest efekt wydłużania się czasu. Zegar kosmiczny pozwoli też uzyskać dostęp do ultrastabilnych częstotliwości z dowolnego miejsca na Ziemi.
Kosmos - ostatnio dodane
poleca:
